Une équipe d’ingénieurs de l’Université du Maryland a construit une main robotique douce à trois doigts qui est suffisamment agile pour pouvoir manipuler les boutons et le pavé directionnel sur une manette Nintendo, même en réussissant à battre le premier niveau de Super Mario Bros. comme preuve de concept, selon un article récent publié dans la revue Science Advances. La même équipe a également construit deux tortues robotiques douces (la tortue terrapin est la mascotte officielle d’UMD) en utilisant le même processus d’impression 3D multimatériaux qui a produit la main robotique.

Nous pensons traditionnellement que les robots sont fabriqués à partir de matériaux durs et rigides, mais le sous-domaine de la robotique douce adopte une approche différente. Il cherche à construire des dispositifs robotiques à partir de matériaux plus flexibles qui imitent les propriétés de ceux trouvés chez les animaux vivants. Il y a d’énormes avantages à gagner à fabriquer tout le corps d’un robot à partir de matériaux mous, comme être suffisamment flexible pour se faufiler dans des espaces restreints pour chasser les survivants après une catastrophe. Les robots mous ont également un fort potentiel en tant que prothèses ou dispositifs biomédicaux. Même les robots rigides s’appuient sur certains composants mous, tels que les coussinets de pieds qui servent d’amortisseurs ou de ressorts flexibles pour stocker et libérer de l’énergie.

Des chercheurs de Harvard ont construit un robot doux inspiré de la pieuvre en 2016 qui a été construit entièrement en matériaux flexibles. Mais les robots mous sont plus difficiles à contrôler précisément parce qu’ils sont si flexibles. Dans le cas de l’« octobot », les chercheurs ont remplacé les circuits électroniques rigides par des circuits microfluidiques. De tels circuits impliquent la régulation du flux d’eau (hydraulique) ou d’air (pneumatique), plutôt que d’électricité, à travers les microcanaux du circuit, permettant au robot de se plier et de se déplacer.

Bien que cette solution soit ingénieuse, elle apporte son propre ensemble de défis. Il s’agit notamment du coût élevé (des installations en salle blanche sont nécessaires) et du temps nécessaire pour fabriquer ces systèmes microfluidiques, puis les intégrer au système dans son ensemble. « Récemment, plusieurs groupes ont essayé d’exploiter les circuits fluidiques pour améliorer l’autonomie des robots mous» » a déclaré le co-auteur Ruben Acevedo. « Mais les méthodes de construction et d’intégration de ces circuits fluidiques avec les robots peuvent prendre des jours à des semaines, avec un degré élevé de travail manuel et de compétences techniques. »

En tant que premier cycle, Acevedo a travaillé dans le laboratoire de l’ingénieur en mécanique de l’Université du Maryland Ryan D. Sochol, qui souhaitait aller au-delà de la connexion manuelle des composants de circuits fluidiques à des robots mous en faveur de l’intégration de ces fonctions directement dans les systèmes robotiques mous. Son équipe a trouvé la réponse dans l’impression 3D PolyJet, dans laquelle plusieurs couches différentes de matériaux sont empilées les unes sur les autres. L’imprimante définit une couche liquide, la laisse se solidifier, puis définit la couche suivante, et ainsi de suite.

« L’incorporation de matériaux dont la rigidité diffère sert à améliorer les performances en permettant d’adapter les propriétés matérielles de caractéristiques spécifiques pour compléter les fonctionnalités souhaitées », a déclaré Sochol et al.. ont écrit dans leur article. Les composants tels que les diaphragmes et les joints toriques doivent pouvoir se déformer pendant le fonctionnement, de sorte qu’un matériau souple semblable à un caoutchouc a été utilisé pour les fabriquer, tandis qu’un matériau plus rigide, semblable à du plastique, a été choisi pour fabriquer des composants qui doivent être stables (canaux fluidiques, ports d’accès et boîtiers structurels, par exemple). Enfin, l’équipe a utilisé un matériau soluble dans l’eau pour servir d’échafaudage pendant le processus d’impression, qui a ensuite été retiré des vides et canaux extérieurs et internes, d’abord en dissolvant les choses avec de l’eau, puis en enlevant manuellement tout matériau d’échafaudage restant.

Les robots mous contrôlés par microfluidique nécessitent généralement des entrées de commande distinctes pour chaque actionneur souple à commande indépendante. En intégrant le circuit fluidique, l’équipe UMD a pu faire fonctionner la main en faisant varier la force de pression entre faible, moyenne et élevée. En d’autres termes, une seule source de fluide pourrait envoyer des signaux différents simplement en changeant le prassurez-vous que chaque doigt puisse se déplacer indépendamment. Mieux encore, le processus d’impression 3D en une étape pour la main et les deux robots tortues – englobant les actionneurs mous (pièces mobiles), les circuits fluidiques et le corps du robot – a pris quelques heures, et non des jours ou des semaines.

L’équipe a testé les performances de la main robotique en la faisant jouer Super Mario Bros. Pour faire marcher Mario, l’équipe a utilisé une basse pression, de sorte que seul le premier doigt a appuyé sur le contrôleur. Les chercheurs ont utilisé une pression moyenne pour faire fonctionner Mario et une pression élevée pour que la main appuie sur le bon bouton du contrôleur pour faire sauter Mario.

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Quant à savoir pourquoi ils ont choisi Super Mario Bros., Sochol a déclaré à Scientific American que c’était le tout premier jeu Nintendo auquel il avait joué quand il était enfant. Mais le choix n’était pas qu’une question de nostalgie. Le timing et les spécificités du jeu sont bien établis; la main du robot avait simplement besoin de chronométrér ses réponses en fonction des mouvements préprogrammés. Et il y a des conséquences réelles à l’échec: une seule erreur coûtera la vie à Mario. La main a si bien performé qu’elle a réussi à battre le premier niveau du jeu en moins de 90 secondes.

« Nous partageons librement tous nos fichiers de conception afin que tout le monde puisse facilement télécharger, modifier à la demande et imprimer 3D- que ce soit avec sa propre imprimante ou via un service d’impression comme nous – tous les robots mous et les éléments de circuit fluidique de notre travail », » a déclaré Sochol, qui estime que l’impression de ses propres robots logiciels coûterait environ 100 $ en utilisant le logiciel de l’équipe sur GitHub. « Nous espérons que cette stratégie d’impression 3D open source élargira l’accessibilité, la diffusion, la reproductibilité et l’adoption de robots mous avec des circuits fluidiques intégrés et, à son tour, accélérera les progrès dans le domaine. »

DOI : Progrès scientifiques, 2021. 10.1126/sciadv.abe5257 (À propos des DOI).

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