Besoin d'un moment de légèreté ? Essayez de regarder des vidéos d'astronautes tombant sur la lune. Les images de la NASA montrant les astronautes d'Apollo trébuchant et trébuchant alors qu'ils rebondissaient au ralenti sont délicieusement relatables.

Pour les ingénieurs du MIT, les erreurs lunaires constituent également une opportunité d'innover.

"Les astronautes sont physiquement très capables, mais ils peuvent avoir des difficultés sur la Lune, où la gravité est un sixième de celle de la Terre, mais leur inertie est toujours la même. De plus, porter une combinaison spatiale est un fardeau important et peut restreindre leurs mouvements", explique Harry. Asada, professeur de génie mécanique au MIT. "Nous voulons offrir aux astronautes un moyen sûr de se remettre sur pied s'ils tombent."

Asada et ses collègues conçoivent une paire de membres robotiques portables capables de soutenir physiquement un astronaute et de le remettre sur pied après une chute. Le système, que les chercheurs ont surnommé Membres robotiques surnuméraires ou « SuperLimbs », est conçu pour s'étendre à partir d'un sac à dos, qui transporterait également le système de survie de l'astronaute, ainsi que le contrôleur et les moteurs pour alimenter les membres.

Les chercheurs ont construit un prototype physique, ainsi qu'un système de contrôle pour diriger les membres, basé sur les retours de l'astronaute qui l'utilise. L'équipe a testé une version préliminaire sur des sujets sains qui se sont également portés volontaires pour porter un vêtement constrictif semblable à la combinaison spatiale d'un astronaute. Lorsque les volontaires tentaient de se lever d'une position assise ou allongée, ils le faisaient avec moins d'effort lorsqu'ils étaient assistés par SuperLimbs, par rapport à lorsqu'ils devaient récupérer par eux-mêmes.

L’équipe du MIT envisage que les SuperLimbs puissent assister physiquement les astronautes après une chute et, ce faisant, les aider à conserver leur énergie pour d’autres tâches essentielles. Cette conception pourrait s'avérer particulièrement utile dans les années à venir, avec le lancement de la mission Artemis de la NASA, qui prévoit de renvoyer des astronautes sur la Lune pour la première fois depuis plus de 50 ans.

Contrairement à la mission largement exploratoire d'Apollo, les astronautes d'Artemis s'efforceront de construire la première base lunaire permanente, une tâche physiquement exigeante qui nécessitera de multiples activités extravéhiculaires étendues (EVA).

"À l'époque d'Apollo, lorsque les astronautes tombaient, 80 % du temps, c'était lorsqu'ils effectuaient des fouilles ou un travail quelconque avec un outil", explique Erik Ballesteros, membre de l'équipe et doctorant au MIT. "Les missions Artemis se concentreront vraiment sur la construction et l'excavation, donc le risque de chute est beaucoup plus élevé. Nous pensons que les SuperLimbs peuvent les aider à récupérer afin qu'ils puissent être plus productifs et prolonger leurs EVA."

Asada, Ballesteros et leurs collègues présenteront leur conception et leur étude cette semaine à la Conférence internationale de l'IEEE sur la robotique et l'automatisation (ICRA). Leurs co-auteurs incluent Sang-Yoep Lee, postdoctorant au MIT, et Kalind Carpenter du Jet Propulsion Laboratory.

Prendre position

La conception de l'équipe est la dernière application de SuperLimbs, qu'Asada a développée pour la première fois il y a environ dix ans et qui a depuis été adaptée à une gamme d'applications, notamment pour aider les travailleurs dans la fabrication, la construction aéronautique et la construction navale.

Plus récemment, Asada et Ballesteros se sont demandé si les SuperLimbs pourraient aider les astronautes, d'autant plus que la NASA envisage de renvoyer des astronautes à la surface de la Lune.

"Au cours de nos communications avec la NASA, nous avons appris que cette question de tomber sur la Lune constitue un risque sérieux", a déclaré Asada. "Nous avons réalisé que nous pouvions apporter quelques modifications à notre conception pour aider les astronautes à se remettre d'une chute et à poursuivre leur travail."

L’équipe a d’abord pris du recul pour étudier la manière dont les humains se remettent naturellement d’une chute. Dans leur nouvelle étude, ils ont demandé à plusieurs volontaires en bonne santé d'essayer de se tenir debout après s'être couchés sur le côté, sur le ventre et sur le dos.

Les chercheurs ont ensuite étudié comment les tentatives des volontaires pour se tenir debout changeaient lorsque leurs mouvements étaient restreints, de la même manière que les mouvements des astronautes sont limités par la majeure partie de leurs combinaisons spatiales. L'équipe a construit une combinaison pour imiter la rigidité des combinaisons spatiales traditionnelles et a demandé à des volontaires d'enfiler la combinaison avant de tenter à nouveau de se relever de diverses positions tombées. La séquence de mouvements des volontaires était similaire, bien qu'elle nécessitait beaucoup plus d'efforts que leurs tentatives sans entrave.

L'équipe a cartographié les mouvements de chaque volontaire alors qu'ils se levaient et a constaté qu'ils effectuaient chacun une séquence commune de mouvements, passant d'une pose, ou « waypoint », à la suivante, dans un ordre prévisible.

"Ces expériences ergonomiques nous ont aidés à modéliser de manière simple la façon dont un humain se tient debout", explique Ballesteros. "Nous pourrions postuler qu'environ 80 % des humains se tiennent debout de la même manière. Nous avons ensuite conçu un contrôleur autour de cette trajectoire."

Coup de main

L’équipe a développé un logiciel permettant de générer une trajectoire pour un robot, en suivant une séquence qui aiderait à soutenir un humain et à le remettre sur pied. Ils ont appliqué le contrôleur à un bras robotique lourd et fixe, qu’ils ont attaché à un grand sac à dos. Les chercheurs ont ensuite attaché le sac à dos à la combinaison volumineuse et ont aidé les volontaires à remettre la combinaison. Ils ont demandé aux volontaires de s'allonger à nouveau sur le dos, sur le ventre ou sur le côté, puis leur ont demandé d'essayer de se lever pendant que le robot détectait les mouvements de la personne et s'adaptait pour l'aider à se relever.

Dans l'ensemble, les volontaires ont été capables de se tenir debout de manière stable avec beaucoup moins d'effort lorsqu'ils étaient assistés par le robot, comparativement à lorsqu'ils essayaient de se tenir seuls tout en portant la combinaison volumineuse.

"Cela ressemble un peu à une force supplémentaire qui bouge avec vous", explique Ballesteros, qui a également essayé la combinaison et l'assistance aux bras. "Imaginez que vous portez un sac à dos et que quelqu'un attrape le haut et vous tire vers le haut. Avec le temps, cela devient plus ou moins naturel."

Les expériences ont confirmé que le système de contrôle peut diriger avec succès un robot pour aider une personne à se relever après une chute. Les chercheurs prévoient d'associer le système de contrôle à leur dernière version de SuperLimbs, qui comprend deux bras robotiques multiarticulés pouvant s'étendre à partir d'un sac à dos. Le sac à dos contiendrait également la batterie et les moteurs du robot, ainsi que le système de ventilation d'un astronaute.

"Nous avons conçu ces bras robotiques sur la base d'une recherche d'IA et d'une optimisation de la conception, afin de rechercher des conceptions de manipulateurs de robots classiques avec certaines contraintes techniques", explique Ballesteros. "Nous avons filtré de nombreux modèles et recherché celui qui consomme le moins d'énergie pour soulever une personne. Cette version de SuperLimbs est le produit de ce processus."

Au cours de l'été, Ballesteros construira le système complet SuperLimbs au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, où il prévoit de rationaliser la conception et de minimiser le poids de ses pièces et de ses moteurs à l'aide de matériaux avancés et légers. Il espère ensuite associer ces membres à des combinaisons d'astronautes et les tester dans des simulateurs à faible gravité, dans le but d'assister un jour les astronautes lors de futures missions sur la Lune et sur Mars.

"Le port d'une combinaison spatiale peut être un fardeau physique", note Asada. "Les systèmes robotiques peuvent contribuer à alléger ce fardeau et aider les astronautes à être plus productifs pendant leurs missions."