Vers, ressorts et robots mous : de petites créatures inspirent des bonds géants

Les chercheurs de Georgia Tech ont récemment présenté une réalisation impressionnante : un robot mou de 5 pouces de long qui peut se catapulter à 10 pieds dans les airs – la hauteur d’un panier de basket – sans jambes. La conception a été inspirée par l’humble nematode, un petit ver rond plus fin qu’un cheveu humain qui peut sauter plusieurs fois sa longueur corporelle.

En pinçant son corps en plis serrés, le ver stocke de l’énergie élastique, puis la libère soudainement, se projetant vers le haut ou vers l’arrière comme un gymnaste acrobatique. Les ingénieurs ont imité ce mouvement. Leur robot « SoftJM » est essentiellement une tige en silicone flexible avec une colonne vertébrale en fibre de carbone rigide. Selon la façon dont il se courbe, il peut sauter en avant ou en arrière – même s’il n’a pas de roues ou de jambes.

En action, le robot inspiré du nematode se coil beaucoup comme une personne qui s’accroupit, puis se décoil de manière explosive pour sauter. Une caméra à haute vitesse montre comment le ver courbe la tête vers le haut et se plie au milieu de son corps pour sauter en arrière, puis se redresse et se plie à la queue pour sauter en avant.

L’équipe de Georgia Tech a constaté que ces plis serrés – normalement un problème dans les tuyaux ou les câbles – permettent en fait au ver et au robot de stocker beaucoup plus d’énergie. Comme l’a noté un chercheur, les pailles ou les tuyaux pliés sont inutiles, mais un ver plié agit comme un ressort chargé. Dans le laboratoire, le robot mou a reproduit ce tour : il « pince » son milieu ou sa queue, se tend, puis se libère en un éclair (environ un dixième de milliseconde) pour s’envoler dans les airs.

Les robots mous en plein essor

La robotique molle est un domaine jeune mais en pleine croissance qui prend souvent des inspirations dans la nature. Contrairement aux machines métalliques rigides, les robots mous sont faits de matériaux flexibles qui peuvent se compresser, s’étirer et s’adapter à leur environnement. Les premiers jalons dans le domaine incluent l’Octobot de Harvard – un robot autonome entièrement fait de silicone et de canaux fluides, sans pièces rigides, inspiré des muscles d’octopus. Depuis, les ingénieurs ont construit une ménagerie de machines molles : des rampants ressemblant à des vers et des pinces gélatineuses jusqu’à des « exosquelettes » portables et des robots ressemblant à des vignes roulantes.

Par exemple, des chercheurs de Yale ont créé un robot mou inspiré de la tortue dont les jambes passent de flotteurs mous à des « jambes de terre » fermes en fonction de savoir s’il nage ou marche. À l’UCSB, des scientifiques ont créé un robot ressemblant à une vigne qui pousse vers la lumière en utilisant uniquement une « peau » sensible à la lumière – il s’étend littéralement à travers des espaces étroits comme une tige de plante. Ces et d’autres innovations bio-inspirées montrent comment les matériaux mous peuvent créer de nouveaux modes de mouvement.

Dans l’ensemble, les partisans affirment que les robots mous peuvent aller où les robots traditionnels ne peuvent pas. La fondation nationale pour la science des États-Unis note que les machines molles adaptatives « explorent des espaces précédemment inaccessibles aux robots traditionnels » – même à l’intérieur du corps humain. Certains robots mous ont des « peaux » programmables qui changent de rigidité ou de couleur pour se fondre dans le décor ou saisir des objets. Les ingénieurs explorent également des techniques d’origami/kirigami, des polymères à mémoire de forme et d’autres astuces pour que ces robots puissent se reconfigurer en vol.

Concevoir un mouvement flexible

Faire bouger un robot mou comme un animal comporte de grands défis. Sans articulations rigides ou moteurs, les concepteurs doivent compter sur les propriétés des matériaux et une géométrie astucieuse. Par exemple, le sauteur de Georgia Tech devait inclure une colonne vertébrale en fibre de carbone à l’intérieur de son corps caoutchouteux pour rendre l’action du ressort suffisamment puissante. L’intégration de capteurs et de systèmes de contrôle est également délicate. Comme le font remarquer les ingénieurs de Penn State, les électroniques traditionnelles sont rigides et gèleraient un robot mou sur place.

Pour rendre leur petit robot de secours rampant « intelligent », ils ont dû répartir soigneusement des circuits flexibles sur tout le corps afin qu’il puisse encore se plier. Même la recherche de sources d’énergie est plus difficile : certains robots mous utilisent des champs magnétiques externes ou de l’air sous pression, car transporter une batterie lourde les alourdirait.

Les robots mous inspirés du nematode de Georgia Tech (Photo : Candler Hobbs)

Un autre obstacle est l’exploitation de la physique appropriée. L’équipe du robot nematode a appris que les plis aident en fait. Dans un tube de caoutchouc normal, un pli arrête rapidement l’écoulement ; mais dans un ver mou, il construit lentement une pression interne, permettant beaucoup plus de flexion avant la libération. En expérimentant avec des simulations et même des modèles de ballons remplis d’eau, les chercheurs ont montré que leur corps flexible pouvait stocker beaucoup d’énergie élastique lorsqu’il est plié, puis la libérer en un seul saut rapide. Le résultat est remarquable : au repos, le robot peut sauter 10 pieds de haut, de manière répétitive, en se contentant de fléchir sa colonne vertébrale. Ces avancées – trouver des moyens de stocker et de libérer l’énergie dans les matériaux caoutchouteux – sont typiques de l’ingénierie de la robotique molle.

Les sauteurs et les aides du monde réel

À quoi servent tous ces robots mous ? En principe, ils peuvent relever des situations trop dangereuses ou maladroites pour les machines rigides. Dans les zones sinistrées, par exemple, les robots mous peuvent se faufiler sous les débris ou dans les bâtiments effondrés pour trouver des survivants. Penn State a présenté un prototype de robot rampant contrôlé magnétiquement qui pouvait naviguer dans des débris étroits ou même se déplacer à travers des canaux de la taille des vaisseaux sanguins.

En médecine, des robots mous microscopiques pourraient délivrer des médicaments directement dans le corps. Dans une étude du MIT, un robot mou à filament a été imaginé pour flotter à travers les artères et nettoyer les caillots, traitant potentiellement les accidents vasculaires cérébraux sans chirurgie ouverte. Les scientifiques de Harvard travaillent également sur des exosquelettes mous portables – une manche gonflable légère qui a aidé les patients atteints de la maladie de Charcot à soulever une épaule, améliorant immédiatement leur amplitude de mouvement.

Les agences spatiales regardent également les sauteurs mous. Les roues peuvent se coincer dans le sable ou les roches, 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. Dans un concept, un robot de la taille d’un ballon de football appelé SPARROW utiliserait des jets de vapeur (à partir de glace bouillie) pour sauter sur plusieurs miles à travers Europa ou Enceladus. Dans la faible gravité de ces lunes, un petit saut peut aller très loin – les scientifiques notent qu’un saut d’un mètre d’un robot sur Terre pourrait le porter à 100 mètres sur Enceladus. L’idée est que des dizaines de ces sauteurs pourraient se déplacer en essaim sur un terrain alien « avec une totale liberté de déplacement » où les robots à roues seraient bloqués. Sur Terre, les futurs sauteurs mous pourraient aider dans les missions de recherche et de sauvetage en sautant par-dessus les rivières, la boue ou le sol instable qui arrêterait les robots conventionnels.

Les robots mous trouvent également du travail dans l’industrie et l’agriculture. La NSF note qu’ils pourraient devenir des aides sûres sur les planchers d’usine ou dans les fermes, car ils se conforment si un humain est sur leur chemin. Les chercheurs ont même construit des pinces mous qui ramassent délicatement des fruits sans les écraser. La flexibilité des machines molles signifie qu’elles peuvent agir dans des endroits trop petits ou flexibles pour les appareils rigides.

En fin de compte, les experts croient que la robotique molle va fondamentalement changer de nombreux domaines. Des vers aux combinaisons portables en passant par les sauteurs lunaires, cette recherche montre comment l’étude de petites créatures peut conduire à des bonds géants dans la technologie.