Vers, ressorts et robots mous : de minuscules créatures inspirent des bonds de géant

Des chercheurs de Georgia Tech ont récemment a dévoilé une réalisation impressionnanteUn robot souple de 5 cm de long, capable de se catapulter à 10 mètres de haut – la hauteur d'un panier de basket – sans aucune jambe. Son design s'inspire du modeste nématode, un minuscule ver rond plus fin qu'un cheveu humain, capable de sauter plusieurs fois la longueur de son corps. 

En pinçant son corps en des plis serrés, le ver emmagasine de l'énergie élastique puis la libère brusquement, se projetant vers le ciel ou vers l'arrière, tel un gymnaste acrobatique. Les ingénieurs ont reproduit ce mouvement. Leur robot « SoftJM » est essentiellement une tige flexible en silicone dotée d'une colonne vertébrale rigide en fibre de carbone. Selon la façon dont il se plie, il peut bondir en avant ou en arrière, même s'il est dépourvu de roues et de jambes.

En action, le robot inspiré du nématode se replie comme une personne accroupie, puis se redresse brusquement pour sauter. Une caméra à haute vitesse montre comment le ver courbe sa tête et se plie au milieu de son corps pour sauter en arrière, puis se redresse et plie sa queue pour bondir en avant. 

L'équipe de Georgia Tech a découvert que ces courbures serrées – habituellement problématiques pour les tuyaux ou les câbles – permettent en réalité au ver et au robot de stocker beaucoup plus d'énergie. Comme l'a fait remarquer un chercheur, les pailles ou les tuyaux pliés sont inutiles, mais un ver plié agit comme un ressort chargé. En laboratoire, le robot souple reproduit cette astuce : il « pince » son milieu ou sa queue, se tend, puis relâche en un éclair (environ un dixième de milliseconde) pour s'envoler dans les airs.

Les robots souples en plein essor

La robotique souple est un domaine jeune, mais en pleine expansion, qui s'inspire souvent de la nature. Contrairement aux machines métalliques rigides, les robots souples sont constitués de matériaux flexibles capables de se comprimer, de s'étirer et de s'adapter à leur environnement. Parmi les premières avancées dans ce domaine, on peut citer L'Octobot de Harvard – un robot autonome entièrement composé de silicone et de canaux fluides, sans pièces rigides, inspiré des muscles des pieuvres. Depuis, les ingénieurs ont construit une multitude de machines souples : des chenilles semblables à des vers et des pinces gélifiées aux « exosquelettes » portables et aux robots roulants semblables à des lianes. 

Par exemple, des chercheurs de Yale ont créé un robot souple inspiré de la tortue, dont les pattes alternent entre des nageoires souples et des pattes fermes, selon qu'il nage ou marche. À l'UCSB, des scientifiques ont créé un robot semblable à une liane qui pousse vers la lumière grâce à une simple peau photosensible ; il s'étend littéralement dans des espaces étroits, comme une tige de plante. Ces innovations, parmi d'autres, bio-inspirées, montrent comment les matériaux souples peuvent créer de nouveaux modes de mouvement.

Dans l’ensemble, les partisans affirment que les robots souples peuvent aller là où les robots traditionnels ne peuvent pas aller. Notes de la Fondation nationale des sciences des États-Unis Les machines souples adaptatives « explorent des espaces jusque-là inaccessibles aux robots traditionnels », même à l'intérieur du corps humain. Certains robots souples sont dotés de « peaux » programmables qui changent de rigidité ou de couleur pour se fondre dans les objets ou les saisir. Les ingénieurs explorent également techniques d'origami/kirigami, des polymères à mémoire de forme et d’autres astuces pour que ces robots puissent se reconfigurer à la volée.

Ingénierie du mouvement flexible

Créer un robot souple se déplaçant comme un animal présente de grands défis. Sans articulations ni moteurs rigides, les concepteurs doivent s'appuyer sur les propriétés des matériaux et une géométrie astucieuse. Par exemple, le sauteur de Georgia Tech a dû intégrer une colonne vertébrale en fibre de carbone à l'intérieur de son corps en caoutchouc pour que le ressort soit suffisamment puissant. L'intégration de capteurs et de systèmes de contrôle est également délicate. Les ingénieurs de Penn State soulignent, l'électronique traditionnelle est rigide et figerait un robot mou sur place.

Pour rendre leur minuscule robot de sauvetage rampant « intelligent », ils ont dû répartir soigneusement des circuits flexibles sur son corps afin qu'il puisse se plier. Trouver des sources d'énergie est même plus difficile : certains robots souples utilisent des champs magnétiques externes ou de l'air comprimé, car transporter une lourde batterie les alourdirait.

Les robots souples inspirés des nématodes de Georgia Tech (Photo : Candler Hobbs)

Un autre obstacle réside dans l'exploitation des lois physiques. L'équipe nématode-robot a découvert que les pliures sont réellement utiles. Dans un tube en caoutchouc normal, une pliure arrête rapidement l'écoulement ; mais dans un ver mou, elle augmente lentement la pression interne, permettant une flexion beaucoup plus importante avant le relâchement. En expérimentant avec des simulations et même des modèles de ballons remplis d'eau, les chercheurs ont montré que leur corps flexible pouvait retenir une grande quantité d'énergie élastique lorsqu'il était plié, puis la libérer en un seul bond rapide. Le résultat est remarquable : au repos, le robot peut sauter de 10 mètres de haut, de manière répétitive, par simple flexion de la colonne vertébrale. Ces avancées – trouver des moyens de Boutique libérer l’énergie dans les matériaux caoutchouteux – sont typiques de l’ingénierie robotique douce.

Sauteurs et assistants du monde réel

À quoi servent tous ces robots souples ? En principe, ils peuvent s'attaquer à des situations trop dangereuses ou difficiles pour des machines rigides. Dans les zones sinistrées, par exemple, les robots souples peuvent se faufiler sous les décombres ou dans des bâtiments effondrés pour retrouver des survivants. L'université Penn State a présenté un prototype de robot souple à commande magnétique capable de naviguer dans des débris compacts ou même de se déplacer dans des canaux de la taille d'un vaisseau sanguin.

En médecine, des robots souples microscopiques pourraient administrer des médicaments directement dans l'organisme. Une étude du MIT a imaginé un robot souple, aussi fin qu'un fil, capable de flotter dans les artères et d'éliminer les caillots, permettant ainsi de traiter les accidents vasculaires cérébraux (AVC) sans chirurgie ouverte. Des scientifiques de Harvard travaillent également sur des exosquelettes souples portables : un manchon gonflable léger a permis aux patients atteints de SLA de soulever une épaule, améliorant ainsi immédiatement leur amplitude de mouvement.

Les agences spatiales s'intéressent également aux sauteurs souples. Les roues peuvent se coincer dans le sable ou les rochers, mais un robot sauteur pourrait franchir des cratères et des dunes. La NASA imagine même de nouveaux sauteurs pour la Lune et les lunes glacées. Un exemple de concept serait un robot de la taille d'un ballon de football appelé MOINEAU utiliseraient des jets de vapeur (issus de la glace bouillie) pour parcourir de nombreux kilomètres au-dessus d'Europe ou d'Encelade. Grâce à la faible gravité de ces lunes, un petit saut peut faire une très grande distance – les scientifiques notent qu'un robot, sur Terre, pourrait effectuer un bond d'un mètre sur une centaine de mètres sur Encelade. L'idée est que des dizaines de ces sauteurs puissent se déplacer en essaim sur des terrains extraterrestres « en toute liberté », là où les rovers à roues seraient bloqués. Sur Terre, de futurs sauteurs souples pourraient participer aux missions de recherche et de sauvetage en sautant par-dessus des rivières, de la boue ou des terrains instables qui arrêteraient les robots conventionnels.

Les robots souples trouvent également du travail dans l'industrie et l'agriculture. La NSF souligne qu'ils pourraient devenir des auxiliaires de sécurité dans les usines ou les fermes, car ils obéissent aux mouvements d'un humain. Des chercheurs ont même conçu des pinces souples qui prélèvent délicatement les fruits délicats sans les abîmer. La flexibilité des machines souples leur permet d'intervenir dans des espaces trop exigus ou trop flexibles pour des dispositifs rigides.

Au final, les experts estiment que la robotique douce révolutionnera de nombreux domaines. Des vers aux combinaisons portables en passant par les sauteurs lunaires, ce fil de recherche montre comment l'étude de minuscules créatures peut permettre de grandes avancées technologiques.