Les petits robots autonomes qui peuvent accéder à des environnements exigus pourraient aider avec les futures opérations de recherche et de sauvetage et inspecter les détails des infrastructures difficiles à accéder aux personnes ou à des robots plus grands. Cependant, les moteurs conventionnels et rigides sur lesquels peuvent s’appuyer sur les robots sont difficiles à miniaturiser à ces échelles, car ils se cassent facilement lorsqu’ils sont plus petits ou ne peuvent plus surmonter les forces de friction.
Désormais, les chercheurs ont développé un système élasto-électromagnétique inspiré des muscles pour construire des robots «doux» de la taille d’un insecte en matériaux flexibles. «Il est devenu clair que les systèmes robotiques doux existants à cette échelle manquent encore de mécanismes d’actionnement qui sont à la fois efficaces et autonomes», explique Hanqing Jiang, professeur de génie mécanique à l’Université de Westlake à Hangzhou, en Chine. Au lieu de cela, ils «ont souvent besoin de stimuli durs tels que la haute tension, les champs externes forts ou la lumière intense qui entravent leur déploiement réel.»
Les muscles fonctionnent de manière similaire à un actionneur, où les parties du corps se déplacent à travers la contraction et la relaxation des fibres musculaires. Lorsqu’il est connecté au reste du corps, le cerveau et d’autres systèmes électriques du corps permettent aux animaux de faire une gamme de mouvements, y compris des modèles de mouvement qui génèrent des forces disproportionnées par rapport à leur masse corporelle.
Technologie d’actionneur d’inspiration musculaire
Le nouvel actionneur est fait d’un polymère de silicone flexible appelé polydiméthylsiloxane, d’un aimant néodymie et d’une bobine électrique entrelacée avec des sphères de fer magnétique mous. Les chercheurs ont fabriqué les actionneurs à l’aide d’un processus de moulage 2D qui peut les fabriquer à des échelles de millimètres, de centimètres et de décimètre. Il est également évolutif pour des appareils souples plus grands et plus puissants. «Nous avons changé de concentration de la réponse des matériaux à la conception structurelle dans les matériaux mous et l’avons combinée avec des forces magnétiques statiques pour créer un nouveau mécanisme d’actionnement», explique Jiang. Les chercheurs ont publié leur travail dans Communications de la nature.
Le nouvel actionneur est capable de se contracter comme un muscle en utilisant un équilibre entre les forces élastiques et magnétiques. Lorsque l’actionneur se contracte, Il génère un courant électrique pour créer une force de Lorentz entre la bobine électrique et l’aimant néodyme. L’actionneur se déforme alors lorsque les sphères de fer répondent à la force accrue, qui peut être utilisée pour fournir un mouvement pour le robot lui-même. Le polymère flexible garantit que le système peut à la fois se déformer et récupérer à son état d’origine lorsque le courant n’est plus appliqué.
Le système testé par les chercheurs a obtenu une force de sortie de 210 newtons par kilogramme, une faible tension opérationnelle inférieure à 4 volts et est alimentée par des batteries à bord. Il peut également subir de grandes déformations, jusqu’à un rapport de contraction de 60%. Les chercheurs l’ont rendu plus économe en énergie en ne nécessitant pas de puissance continue pour maintenir un état stable lorsque l’actionneur ne se déplace pas – une technique similaire à la façon dont les mollusques restent en place en utilisant leurs muscles de capture, qui peuvent maintenir une tension élevée sur de longues périodes en se verrouillant des filaments musculaires épais et minces pour conserver l’énergie.
Robots mous de la taille d’un insecte autonome
Les chercheurs ont utilisé les actionneurs pour développer une série de robots mous de la taille d’un insecte qui pourraient présenter des mouvements d’adaptation, de natation et de saut adaptatifs autonomes dans une gamme d’environnements.
Une telle série de robots de la taille d’une insecte était un groupe de robots compacts de rendez-vous à souches compactes, de 16 par 10 par 10 mm et ne pesant que 1,8 gramme. Les robots étaient équipés d’une articulation de translation, d’une batterie lithium-ion de 3,7 V (30 milliampères heures) et d’un circuit de contrôle intégré. Cette configuration a permis aux robots de ramper en utilisant des contractions séquentielles et une relaxation, un peu comme une chenille. Malgré sa petite taille, le Crawler a présenté une force de sortie de 0,41 N, ce qui est de 8 à 45 fois plus puissant que les robots de robot moelleux existants à l’échelle des insectes.
Cette force de sortie a permis au robot de traverser des terrains difficiles à naviguer, y compris le sol, la pierre rugueuse, le PVC, le verre, le bois et les inclos entre 5 et 15 degrés, tout en gardant une vitesse cohérente. Les bots de bogues se sont également révélés très résistants aux impacts et à la chute. Ils n’ont subi aucun dommage et ont continué à travailler même après une goutte de 30 m sur le côté d’un bâtiment.
Les chercheurs ont également développé 14 CARDERS à pattes par 20 par 20 mm, pesant 1,9 g avec une force de sortie de 0,48 N, qui a rampé comme un ver de pouces. Ceux-ci ont utilisé des articulations élasto-électromagnétiques en rotation pour déplacer les jambes en arrière et en avant et ne pesaient que 1,9 g. Les chercheurs ont également construit un robot de natation de 19 par 19 par 11 mm qui pesait 2,2 g avec une force de production de 0,43 N.
Parallèlement à tester la façon dont les bots se déplacent sur différentes surfaces, les chercheurs ont construit un certain nombre de parcours d’obstacles pour qu’ils puissent naviguer tout en effectuant des opérations de détection. Le bot Inchworm a été mis dans un cours d’obstacle avec des chemins étroits et complexes et a utilisé un capteur d’humidité pour détecter les sources d’humidité. Les robots de natation ont été testés à la fois dans le laboratoire et une rivière. Un cours a été construit dans le laboratoire où le nageur a dû effectuer des opérations de détection chimique dans une chambre étroite à l’aide d’un détecteur de gaz d’éthanol miniature intégré.
Jiang dit que les chercheurs envisagent désormais de développer des essaims robotiques riches en capteurs capables de distribution de détection, de prise de décision et de comportement collectif. «En coordonnant de nombreux petits robots, nous visons à créer des systèmes qui peuvent couvrir de larges zones, s’adapter aux environnements dynamiques et répondre plus intelligemment aux tâches complexes.»
Jiang dit qu’ils cherchent également à voler et à d’autres mouvements de natation activés par le système élasto-électromagnétique, y compris un robot doux de type méduse pour l’exploration en haute mer et la recherche marine.
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