Ces dernières années, grâce aux progrès de la science des matériaux, les résultats de recherche sur les robots souples ont été remarquables. Comparés aux robots rigides traditionnels, les robots souples s'inspirent de systèmes biologiques naturels, tels que les vers, les pieuvres, les geckos et les grenouilles. Ces créatures utilisent des matériaux souples et extensibles pour démontrer une locomotion remarquable dans des environnements complexes. Cependant, dans les applications pratiques, les robots souples dépendent d'une alimentation externe ou d'une force motrice et sont reliés par des câbles, ce qui limite leur champ d'action. De plus, le poids des actionneurs souples traditionnels, tels que les actionneurs pneumatiques à réseau (pneu-nets), est devenu un facteur clé limitant leur fonctionnement sans contrainte.

Afin de résoudre ce problème, l'actionneur souple FiBa (ballon en film) développé par l'équipe du professeur MICHINAO HASHIMOTO et ses collaborateurs de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) a apporté de nouvelles avancées dans le domaine des robots souples.

Le 17 juillet 2024, les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Science Robotics sous le titre « Ramper, grimper, se percher et voler par les robots souples FiBa ».

L'actionneur souple FiBa est conçu avec du silicone Dragon Skin 30 et un film polymère avec courbure latérale

L'actionneur souple FiBa adopte une conception structurelle unique associant un ballon pneumatique imprimé en 3D à un film polymère à courbure latérale. Cette conception permet de réduire considérablement le poids de l'actionneur tout en conservant ses caractéristiques multifonctionnelles, permettant ainsi un fonctionnement autonome.

Comparés aux caoutchoucs de silicone traditionnels, les actionneurs FiBa utilisent le silicone Dragon Skin 30, dont le module d'élasticité est plus élevé (environ 593 kPa), ce qui permet d'obtenir de meilleures capacités de commande sans alourdir l'actionneur. Ce module d'élasticité élevé permet, à volume constant, de générer une pression interne plus importante, améliorant ainsi les effets de flexion et de commande de l'actionneur.

Un autre composant clé de l'actionneur FiBa est un film polymère à courbure latérale. Ce matériau est non seulement léger, mais offre également une excellente flexibilité et plasticité. Grâce à cette courbure latérale, la rigidité locale du film est renforcée, permettant une flexion directionnelle lors du gonflage et un retour rapide à sa forme initiale après dégonflage. Les chercheurs ont indiqué que la courbure latérale a considérablement amélioré les propriétés de flexion du film polymère, améliorant ainsi les performances et la fiabilité globales de l'actionneur.

Il convient de noter que les films plats traditionnels sont sujets à des torsions et des courbures irrégulières lorsqu'ils sont soumis à des forces externes. Grâce à la conception à courbure latérale, les caractéristiques de courbure du film sont optimisées. Lorsque le ballon est gonflé, le film se courbe selon la direction de courbure prédéfinie, générant ainsi une force motrice stable. Cette caractéristique de courbure directionnelle améliore non seulement la précision de contrôle de l'actionneur, mais prolonge également sa durée de vie.

La conception à courbure latérale contribue également à améliorer la fiabilité structurelle et la durabilité de l'actionneur. Lors du dégonflage, le film reprend rapidement sa forme initiale, évitant ainsi toute dégradation des performances et tout dommage structurel dû à une déformation prolongée. De plus, l'optimisation des paramètres de courbure et de l'épaisseur du film permet d'ajuster l'angle de flexion et la force motrice de l'actionneur pour répondre aux besoins de différents scénarios d'application.

En termes de conception, l'actionneur FiBa adopte une approche modulaire, incluant le module de flexion FiBa et le module de poutre à rigidité variable FiBa. Grâce à cette conception modulaire, les chercheurs peuvent rapidement prototyper l'actionneur et procéder à une optimisation itérative. Différents modules peuvent être combinés pour former des actionneurs de formes et de fonctions variées afin de répondre aux besoins de différents scénarios d'application. Cette capacité de prototypage rapide accélère non seulement le cycle de développement produit, mais réduit également les risques financiers.

La structure modulaire de l'actionneur FiBa est également hautement personnalisable. En ajustant le nombre, la disposition et la taille des modules, les chercheurs peuvent personnaliser l'actionneur pour l'adapter à différents environnements et tâches. Par exemple, dans un robot grimpeur, la capacité d'escalade et la stabilité peuvent être améliorées en augmentant le nombre et la disposition des modules de préhension et de flexion.

Afin d'assurer un fonctionnement sans contrainte, l'actionneur FiBa intègre également des composants électroniques tels que des pompes pneumatiques, des vannes, des batteries et des cartes de contrôle. Lors du choix des composants électroniques, les chercheurs ont privilégié leur légèreté et leur rendement élevé. Par exemple, l'utilisation de micropompes pneumatiques et de vannes permet de réduire le poids total du système, tandis que l'utilisation de batteries et de cartes de contrôle hautes performances améliore l'efficacité énergétique et la stabilité du système. La légèreté des composants électroniques permet à l'actionneur FiBa de fonctionner de manière stable et durable dans un environnement sans contrainte.

En termes d'intégration, les chercheurs réduisent les interférences de signal et les pertes d'énergie en optimisant la disposition et la connexion des composants électroniques, et améliorent la fiabilité et la sécurité du système en ajoutant des fonctions de conception redondantes et de diagnostic des pannes.

▍Discussion sur quatre formes de robots souples FiBa et scénarios d'atterrissage

Pour vérifier les performances et la polyvalence des actionneurs FiBa, l'équipe de recherche a démontré avec succès quatre modes de mouvement bionique sans entrave, à savoir le ramper inspiré des tortues, l'escalade inspirée des chenilles, le perchoir inspiré des chauves-souris et le vol inspiré des coccinelles.

Ce robot rampant inspiré de la tortue utilise quatre modules de flexion FiBa comme « ailerons » pour simuler les membres antérieurs de la tortue et propulser le robot vers l'avant en simulant ses mouvements sur terre. Ces modules sont combinés à des ballons pneumatiques imprimés en 3D, grâce à des films polymères incurvés transversalement, pour des mouvements de flexion légers et efficaces. Le robot est également équipé d'un module d'actionneur de levage permettant d'ajuster la hauteur du fuselage si nécessaire pour s'adapter aux différentes conditions de terrain.

En termes d'application, après des catastrophes naturelles telles que des tremblements de terre et des tsunamis, les ruines présentent souvent de nombreux interstices étroits, difficiles d'accès pour les robots rigides traditionnels. Cependant, ce robot rampant peut facilement les franchir, transporter du matériel tel que des détecteurs de vie, rechercher des personnes piégées et transmettre la situation sur place aux sauveteurs en temps réel grâce à la communication sans fil, améliorant ainsi considérablement l'efficacité des opérations de sauvetage.

Le robot grimpeur, inspiré de la chenille arpenteuse, utilise le module de flexion et le module de préhension FiBa pour réaliser une escalade verticale en simulant le mouvement rampant de la chenille arpenteuse. Le module de préhension est étroitement enroulé autour de la surface d'escalade grâce à un ballon en silicone gonflé pour assurer un soutien suffisant. Parallèlement, le module de flexion FiBa entraîne le robot à se déplacer le long de la surface d'escalade pour une ascension stable.

Dans le domaine industriel, ce robot grimpeur peut être utilisé pour l'inspection et la maintenance des canalisations verticales, des ponts et des murs extérieurs des immeubles de grande hauteur. Équipé de caméras haute définition, d'imageurs thermiques infrarouges et d'autres équipements, il permet d'inspecter en détail la surface des structures, de détecter rapidement les risques potentiels et de réduire les risques et les coûts des inspections manuelles. Ce robot grimpeur est également performant pour l'inspection d'infrastructures telles que les lignes électriques et les pylônes de communication. Il peut grimper rapidement le long des poteaux électriques ou des pylônes de communication pour inspecter les isolateurs de lignes, les connecteurs des pylônes, etc., améliorant ainsi l'efficacité et la précision des inspections.

Ce robot percheur inspiré des chauves-souris utilise des modules FiBa pour construire une pince légère à quatre doigts qui simule la façon dont les chauves-souris se perchent la tête en bas sur des branches. La structure pneumatique à l'intérieur de la pince génère une forte force de préhension après gonflage, permettant au robot de se percher de manière stable sur des supports tels que des branches et des poteaux.

En termes d'application, l'installation de ce robot percheur sur un drone permet d'allonger considérablement son temps de vol. Pendant la mission, le drone peut se percher sur un support pour économiser de l'énergie et redécoller une fois la mission terminée, réduisant ainsi les coûts énergétiques et élargissant son champ d'application. Lors d'opérations sur le terrain telles que l'exploration géologique et les études forestières, le robot percheur peut servir de plateforme de soutien temporaire. Une fois la mission terminée, le drone peut se percher à proximité pour se recharger ou attendre de nouvelles instructions, améliorant ainsi l'efficacité et la sécurité opérationnelles.

Ce robot volant inspiré de la coccinelle utilise des modules de poutre à rigidité variable FiBa comme principaux composants structurels de son aile. Ces modules offrent une rigidité et une résistance suffisantes pour assurer le vol une fois gonflés. Ils se plient et s'enroulent facilement à l'état dégonflé pour un transport et un stockage aisés. Le robot est également équipé d'un dispositif de poussée et d'un système de contrôle permettant un vol et un réglage d'attitude autonomes. En cas d'urgence, comme lors de catastrophes naturelles, ce robot volant peut intervenir rapidement et avec précision pour livrer des fournitures urgentes, telles que de la nourriture et des médicaments, dans la zone sinistrée. Son aile pliable lui permet d'occuper un espace réduit pendant le transport, facilitant ainsi un déploiement à grande échelle ; tandis que son autonomie de vol garantit la précision et la ponctualité de la livraison des matériaux. Dans le domaine de la surveillance environnementale, le robot volant peut embarquer divers capteurs et équipements pour une surveillance et une collecte de données complètes sur la qualité de l'air, de l'eau, etc. Sa flexibilité de vol et sa large portée de surveillance lui permettent de couvrir rapidement de vastes zones et de fournir des données précises. Il peut également être utilisé dans le domaine agricole pour la surveillance des ravageurs et des maladies, ainsi que pour l'évaluation de la croissance des cultures.

▍Conclusion et avenir

L'émergence des actionneurs souples FiBa marque une avancée majeure dans la technologie de la robotique souple. Grâce au choix de matériaux légers et à la conception modulaire, l'actionneur FiBa présente des caractéristiques légères et multifonctionnelles. Cette conception résout non seulement le problème de poids des robots souples traditionnels, mais offre également une très grande polyvalence dans des scénarios pratiques. À l'avenir, les chercheurs continueront d'optimiser la conception et les solutions techniques de l'actionneur FiBa afin d'améliorer ses performances et sa fiabilité. De plus, grâce au développement de technologies de contrôle intelligent et de navigation autonome, le robot souple FiBa devrait devenir plus intelligent à l'avenir.