Vers, ressorts et robots mous : les petites créatures inspirent de grands bonds

Les chercheurs de Georgia Tech ont récemment présenté une réalisation impressionnante : un robot mou de 13 cm de long qui peut se catapulter à 3 mètres dans les airs – la hauteur d’un panier de basket – sans jambes. La conception a été inspirée par l’humble nématode, un petit ver rond plus fin qu’un cheveu humain qui peut sauter plusieurs fois sa longueur.

En pinçant son corps en kinks serrés, le ver stocke de l’énergie élastique et la libère ensuite brusquement, 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 plie, il peut sauter en avant ou en arrière – même s’il n’a pas de roues ou de jambes.

En action, le robot inspiré de la nématode se contracte beaucoup comme une personne qui s’accroupit, puis se déplie brusquement pour sauter. Une caméra à haute vitesse montre comment le ver courbe la tête vers le haut et fait des kinks au milieu de son corps pour sauter en arrière, puis se redresse et fait des kinks à la queue pour sauter en avant.

L’équipe de Georgia Tech a constaté que ces kinks 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 kinkés sont inutiles, mais un ver kinké agit comme un ressort chargé. Dans le laboratoire, le robot mou a reproduit ce tour : il « pince » son milieu ou sa queue, se tend et se libère ensuite 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, des pinces gélatineuses et des robots en forme de vigne roulante.

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 ce qu’il nage ou marche. À l’UCSB, des scientifiques ont construit un robot en forme de 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 les techniques d’origami/kirigami, les 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 s’appuyer sur les propriétés des matériaux et une géométrie ingénieuse. Par exemple, le sauteur de Georgia Tech devait inclure une colonne vertébrale en fibre de carbone à l’intérieur de son corps en caoutchouc 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 systèmes électroniques traditionnels 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 trouver des sources d’énergie est plus difficile : certains robots mous utilisent des champs magnétiques externes ou de l’air comprimé car transporter une batterie lourde les alourdirait.

Les robots mous inspirés de la nématode de Georgia Tech (Photo : Candler Hobbs)

Un autre obstacle est l’exploitation de la physique appropriée. L’équipe du robot-nématode a appris que les kinks aident en fait. Dans un tube en caoutchouc normal, un kink stoppe rapidement l’écoulement ; mais dans un ver mou, il construit lentement une pression interne, permettant beaucoup plus de flexion avant de se libérer. En expérimentant avec des simulations et même des modèles de ballons remplis d’eau, les chercheurs ont montré que leur corps flexible pouvait contenir beaucoup d’énergie élastique lorsqu’il se plie, puis la libérer en un seul saut rapide. Le résultat est remarquable : au repos, le robot peut sauter à 3 mètres de hauteur, de manière répétitive, en se contentant de fléchir sa colonne vertébrale. Ces avancées – trouver des moyens de stocker et de libérer de 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 défis trop dangereux ou maladroits 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 mou contrôlé magnétiquement qui pouvait naviguer dans des débris étroits ou même se déplacer dans des canaux de la taille de vaisseaux sanguins.

En médecine, des robots mous microscopiques pourraient livrer des médicaments directement dans le corps. Dans une étude du MIT, un robot mou filiforme a été imaginé pour flotter à travers les artères et éliminer 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 rochers, mais un robot sauteur pourrait sauter par-dessus les cratères et les 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 bouillante) 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 liberté sur un terrain alien « avec une liberté de déplacement totale » 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 arrêteraient les robots conventionnels.

Les robots mous trouvent également du travail dans l’industrie et l’agriculture. La Fondation nationale pour la science des États-Unis note qu’ils pourraient devenir des aides sûres sur les planchers d’usine ou sur les fermes, car ils s’adaptent si un humain est sur leur chemin. Les chercheurs ont même construit des pinces mous qui cueillent délicatement des fruits délicats sans les écraser. La flexibilité des machines mous signifie qu’elles peuvent agir dans des endroits trop petits ou flexibles pour les appareils rigides.

En fin de compte, les experts estiment que la robotique molle va fondamentalement changer de nombreux domaines. Des vers aux combinaisons portables en passant par les sauteurs lunaires, ce fil de recherche montre comment l’étude de petites créatures peut conduire à de grands bonds technologiques.