Une main robotique douce a finalement accompli un exploit historique : battre le premier niveau de Super Mario Bros. Bien qu’appuyer et relâcher rapidement les boutons et le pavé directionnel d’une manette Nintendo Entertainment System soit un test amusant des performances de cette machine à trois doigts, la percée n’est pas ce qu’elle fait, mais comment elle a été créée.
La main de Mario, ainsi que deux « robots mous » ressemblant à des tortues décrits dans le même article récent de Science Advances, ont chacun été imprimés en 3D en un seul processus qui n’a pris que trois à huit heures. “Chacun de ces robots dans cet article a été imprimé à 100% sans assemblage requis”, explique le co-auteur Ryan Sochol, professeur adjoint de génie mécanique à l’Université du Maryland.
La production en une étape permettrait aux chercheurs de développer plus facilement des robots souples de plus en plus complexes. Le maquillage spongieux de ces robots leur permet d’interagir avec des matériaux délicats, tels que les tissus d’un corps humain, sans le genre de dommages que des machines plus rigides pourraient causer. Cela en fait de bons candidats pour des tâches telles que la chirurgie ou la recherche et le sauvetage et même le tri des fruits ou d’autres articles facilement endommagés. Mais jusqu’à présent, la plupart de ces robots incluent toujours au moins certains composants rigides. Ce n’est qu’en 2016 que les chercheurs en ont créé un entièrement à partir de matériaux souples. Pour faire fonctionner ce robot doux semblable à une pieuvre, ses créateurs ont dû abandonner les circuits électroniques rigides pour un microfluidique. Dans de tels circuits, l’eau ou l’air se déplacent à travers des microcanaux ; son écoulement est modifié par des analogues fluides aux composants électroniques tels que les transistors et les diodes.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont accéléré le développement de cette technologie. “Ils ont introduit des circuits microfluidiques beaucoup plus compliqués”, explique Jennifer Lewis, professeure d’ingénierie à l’Université Harvard, qui a co-écrit l’article de 2016, mais n’était pas impliquée dans le projet de l’Université du Maryland. Dans la main de Mario, par exemple, le circuit permettait à une seule source de fluide d’envoyer différents signaux, indiquant à chaque doigt de se déplacer indépendamment en faisant simplement varier la pression d’entrée.
L’imprimer
Mais en rendant les robots mous plus sophistiqués, les circuits fluidiques rendent également les machines plus difficiles à fabriquer et à assembler. C’est pourquoi Sochol est si enthousiaste à l’idée de les imprimer en une seule étape. « Cela n’a jamais été fait une seule fois en un seul passage », dit-il, « d’avoir un robot souple complet avec tous les circuits fluidiques intégrés, les caractéristiques du corps et les actionneurs souples. [moving parts] tous imprimés.
Lui et ses collègues ont utilisé une imprimante 3D PolyJet, un type qui dépose une couche liquide, l’expose à une lumière qui la solidifie, puis ajoute la couche suivante. Le modèle qu’ils ont utilisé, fabriqué par une société appelée StrataSys, pourrait produire trois types de matériaux : une substance semblable à du caoutchouc souple, une substance plus rigide semblable à du plastique et un « matériau sacrificiel » soluble dans l’eau qui agit comme un échafaudage pendant l’impression mais doit être retiré du produit final par la suite.
Ces imprimantes de haute technologie peuvent se vendre des dizaines de milliers de dollars, mais l’équipe de Sochol n’a pas eu besoin d’en acheter une. « Nous utilisons un service sur le campus pour ce faire », dit-il. « Alors nous leur avons envoyé nos fichiers, ils les ont imprimés, puis nous les avons récupérés. » Sochol estime que toute autre personne souhaitant imprimer l’une de ces conceptions, que son équipe a partagée en tant que logiciel en libre accès sur le site de développement GitHub, pourrait utiliser un service d’impression 3D similaire pour environ 100 $ ou moins.
Sochol soutient que ce processus est plus rapide, moins cher et plus facile que de fabriquer un circuit microfluidique dans une salle blanche, en créant un robot séparément puis en les combinant plus tard. Lewis n’est pas tout à fait d’accord. « Il y a une élégance là-dedans. Je ne suis pas sûre que ce soit plus rapide, moins cher, nécessairement », dit-elle. «Mais il y a une nature lourde à devoir créer le circuit par une méthode, puis l’insérer, comme nous l’avons fait, dans un robot moulé et imprimé en 3D. Et je dirais que la méthode qui [Sochol and his colleagues] choisi … présente de nombreux avantages en termes de possibilité d’imprimer plusieurs matériaux de rigidité différente. Lewis souligne également que le nouveau robot logiciel n’est pas prêt à fonctionner immédiatement après l’impression. “Une partie lourde de leur méthode est que vous devez retirer tout le matériel sacrificiel”, dit-elle. « Et quand c’est à l’extérieur du corps, juste comme support, ça va. Mais il est également présent dans tous ces canaux internes.
C’est moi, Mario!
Après avoir nettoyé leurs robots imprimés, l’équipe de Sochol a dû concevoir un test de performance. Des études antérieures ont programmé des doigts robotiques pour jouer un air sur un piano, par exemple, mais l’équipe de Sochol a pensé que cette tâche était trop facile. «Avec ça, on pourrait fixer le tempo de manière arbitraire, précise-t-il. “Si le robot manque une note ou quelque chose comme ça, il n’y a pas de pénalités significatives.” Les jeux vidéo semblaient un peu plus intransigeants. « Si vous faites une erreur, si nous n’appuyons pas sur le bouton au bon moment ou si nous n’appuyons pas [release] le bouton au bon moment, vous pouvez rencontrer un ennemi, vous pouvez tomber dans une fosse, et c’est un jeu immédiatement terminé », dit Sochol.
Les chercheurs ont placé leur main robotique à trois doigts sur une manette Nintendo, chaque doigt étant posé sur un bouton différent ou sur le pavé directionnel. En faisant passer du fluide à travers une ligne de contrôle à différentes pressions, ils pourraient faire réagir chaque doigt. “Pour une basse pression, le circuit est capable de répondre à cela et d’appuyer uniquement sur le bouton qui fait avancer Mario”, explique Sochol. « Et puis pour une pression moyenne, un deuxième doigt commence à appuyer sur un bouton, et maintenant Mario peut courir. Et puis s’il s’agit d’une pression élevée, alors les trois doigts appuieront sur leurs boutons respectifs et Mario sautera.
L’équipe a écrit un programme informatique qui modifierait automatiquement la pression, provoquant le déplacement des doigts selon un schéma défini. Parce que les gens jouent à Super Mario Bros. depuis des décennies, l’équipe savait exactement sur quelle séquence de boutons la main aurait besoin d’appuyer pour gagner le premier niveau du jeu. Il lui suffisait de parcourir cette liste préprogrammée avec le bon timing, ce qui est plus difficile qu’il n’y paraît. La partie difficile, dit Sochol, était de “faire en sorte qu’il ne se contente pas d’appuyer sur un bouton, mais qu’il arrête ensuite d’appuyer dessus, puis le réprime, car il arrive souvent que Mario doive sauter puis sauter à nouveau très rapidement pendant qu’il court”.
“La partie Mario est plutôt mignonne et attirera certainement l’attention”, a déclaré Lewis. « Mais je pense que ce qui est vraiment puissant avec ce papier, c’est l’impression 3-D multimatériaux, la capacité d’intégrer tous ces circuits fluidiques complexes en une seule étape fabuleuse. Il y a vraiment beaucoup à aimer dans ce [the researchers have] terminé.”
Gagner le jeu vidéo a montré que la main robotique entièrement imprimée pouvait répondre rapidement et avec précision à une entrée changeante. N’importe quel jeu vidéo bien connu aurait pu faire valoir ce point, mais Mario occupe une place particulière dans le cœur de nombreux joueurs. “Nous avions l’impression que c’était le jeu de base”, dit Sochol. “Quand j’avais quatre ou cinq ans, et que nous avions une console Nintendo, c’était la toute première chose à laquelle j’ai joué.”
