De nombreux roboticiens rêvent de construire des robots qui ne soient pas seulement une combinaison de métal ou d’autres matériaux durs et de moteurs, mais aussi plus souples et plus adaptables. Les robots mous pourraient interagir avec leur environnement de manières complètement différentes ; Par exemple, ils pourraient absorber les chocs, comme le font les membres humains, ou saisir doucement un objet. Cela présenterait également des avantages en termes de consommation d’énergie : les mouvements des robots nécessitent aujourd’hui généralement beaucoup d’énergie pour maintenir une position, tandis que les systèmes souples pourraient également bien stocker l’énergie. Alors quoi de plus évident que de prendre le muscle humain comme modèle et de tenter de le recréer ?
Le fonctionnement des muscles artificiels repose donc sur la biologie. Comme leurs homologues naturels, les muscles artificiels se contractent en réponse à une impulsion électrique. Cependant, les muscles artificiels ne sont pas constitués de cellules et de fibres, mais d’un sac rempli d’un liquide (généralement de l’huile) dont la coque est partiellement recouverte d’électrodes. Lorsque ces électrodes reçoivent une tension électrique, elles se contractent et repoussent le liquide dans le reste du sac, qui se plie et est donc capable de soulever un poids. Un seul sac correspond à un court faisceau de fibres musculaires ; Plusieurs d’entre eux peuvent être reliés pour former un élément d’entraînement complet, également appelé actionneur ou simplement muscle artificiel.
Tension trop élevée
L’idée de développer des muscles artificiels n’est pas nouvelle, mais il existe un obstacle majeur à sa mise en œuvre : les actionneurs électrostatiques ne fonctionnent qu’avec des tensions extrêmement élevées, de l’ordre de 6 000 à 10 000 volts. Cette exigence a eu plusieurs conséquences : par exemple, les muscles ont dû être connectés à de gros et lourds amplificateurs de tension ; ils ne travaillaient pas dans l’eau ; et ils n’étaient pas entièrement sans danger pour les humains. Robert Katzschmann, professeur de robotique à l’ETH Zurich, a développé une nouvelle solution en collaboration avec Stephan-Daniel Gravert, Elia Varini et d’autres collègues. Ils ont sorti leur version d’un muscle artificiel qui offre plusieurs avantages Avancées scientifiques.
Gravert, qui travaille comme assistant de recherche dans le laboratoire de Katzschmann, a conçu une housse pour le sac. Les chercheurs appellent les nouveaux muscles artificiels des actionneurs HALVE, où HALVE signifie « électrostatique basse tension amélioré hydrauliquement ». « Avec d’autres actionneurs, les électrodes se trouvent à l’extérieur de la coque. Notre coque est constituée de différentes couches. Nous avons pris un matériau ferroélectrique à haute permittivité, capable de stocker des quantités relativement importantes d’énergie électrique, et nous l’avons combiné.” “Ajout d’une couche d’électrodes. Nous l’avons ensuite recouvert d’une coque en polymère, qui présente d’excellentes propriétés mécaniques et rend le sac plus stable », explique Gravert. Cela a permis aux chercheurs de réduire la tension requise, car la permittivité nettement plus élevée du matériau ferroélectrique permet de générer des forces importantes malgré la basse tension. Gravert et Varini ont non seulement co-développé la coque des actionneurs HALVE, mais ils ont également construit eux-mêmes les actionneurs en laboratoire pour les utiliser dans deux robots.
Les pinces et les poissons montrent ce que le muscle peut faire
L’un de ces exemples de robots est un préhenseur de 11 centimètres de haut doté de deux doigts. Chaque doigt est déplacé par trois poches de l’actionneur HALVE connectées en série. Une petite alimentation électrique alimentée par batterie alimente le robot en 900 volts. Ensemble, la batterie et l’alimentation ne pèsent que 15 grammes. L’ensemble de la pince, y compris l’électronique de puissance et de commande, pèse 45 grammes. La pince peut saisir un objet en plastique lisse suffisamment fermement pour supporter son propre poids lorsque l’objet est soulevé dans les airs avec un cordon. « Cet exemple montre parfaitement à quel point les actionneurs HALVE sont petits, légers et efficaces. «Cela nous rapproche encore plus de notre objectif de créer des systèmes intégrés alimentés par les muscles», se réjouit Katzschmann.
Le deuxième objet est un nageur ressemblant à un poisson de près de 30 centimètres de long, capable de se déplacer en douceur dans l’eau. Il se compose d’une « tête » qui contient l’électronique et d’un « corps » flexible auquel sont fixés les actionneurs HALVE. Ces actionneurs se déplacent alternativement à un rythme qui crée le mouvement de nage. Le poisson autonome peut atteindre une vitesse de trois centimètres par seconde depuis l’arrêt en 14 secondes – et cela dans l’eau du robinet normale.
Étanche et auto-obturant
Ce deuxième exemple est important car il démontre une autre innovation des actionneurs HALVE : puisque les électrodes ne restent plus sans protection à l’extérieur de la coque, les muscles artificiels sont désormais étanches et peuvent également être utilisés dans des liquides conducteurs. « Le poisson illustre un avantage général de ces actionneurs : les électrodes sont protégées de l’environnement et, à l’inverse, l’environnement est protégé des électrodes. Par exemple, vous pouvez faire fonctionner ou toucher ces actionneurs électrostatiques dans l’eau », explique Katzschmann. Et la structure en couches des sacs présente un autre avantage : les nouveaux actionneurs sont nettement plus robustes que les autres muscles artificiels.
Idéalement, les sacs devraient pouvoir supporter beaucoup de mouvements et le faire rapidement. Mais même la plus petite erreur de production, comme un grain de poussière entre les électrodes, peut entraîner une panne électrique, une sorte de mini coup de foudre. « Lorsque cela se produisait sur les modèles précédents, l’électrode brûlait et un trou apparaissait dans la coque. Cela a permis au fluide de s’échapper et l’actionneur est devenu inutilisable », explique Gravert. Ce problème est résolu avec les actionneurs HALVE car un seul trou se ferme essentiellement grâce à la couche extérieure protectrice en plastique. Cela signifie que le sac reste généralement entièrement fonctionnel même après une panne de courant.
Même si les deux chercheurs se réjouissent d’avoir franchi une étape décisive dans le développement des muscles artificiels, ils restent néanmoins réalistes. Katzschmann déclare: «Nous devons maintenant préparer cette technologie pour une production à plus grande échelle, ce que nous ne pouvons pas faire ici, au laboratoire de l’ETH.» Sans trop en dévoiler, je peux dire que nous constatons déjà un intérêt de la part des entreprises. ” qui aimerait travailler avec nous. ” Par exemple, les muscles artificiels pourraient un jour être utilisés dans de nouveaux types de robots, de prothèses ou de wearables ; c’est-à-dire dans les technologies portées sur le corps humain.