Si vous deviez demander à quelqu'un de nommer une nouvelle technologie qui a émergé du MIT au 21e siècle, il y a de fortes chances qu'ils nomment le guépard robotique. Développé par le laboratoire de robotique biomimétique du département de génie mécanique du MIT sous la direction du professeur agrégé Sangbae Kim, le quadrupède MIT Cheetah a fait la une des journaux pour sa démarche dynamique sur les jambes, la vitesse, capacité de saut, et conception biomimétique.

Le Cheetah II de la taille d'un chien peut courir sur quatre pattes articulées jusqu'à 6,4 mètres par seconde, faire des virages en douceur, et sauter à une hauteur de 60 centimètres. Le robot peut également déterminer de manière autonome comment éviter ou sauter par-dessus les obstacles.

Kim développe actuellement un robot de troisième génération, le Guépard III. Au lieu d'améliorer la vitesse et les capacités de saut du guépard, Kim convertit le Cheetah en un robot commercialement viable avec des améliorations telles qu'une plus grande capacité de charge utile, amplitude de mouvement plus large, et une fonction de préhension adroite. Le Cheetah III agira initialement comme un robot d'inspection spectrale dans des environnements dangereux tels qu'une centrale nucléaire ou une usine chimique compromise. Il évoluera ensuite pour répondre à d'autres besoins d'intervention d'urgence.

"Le Cheetah II était axé sur la locomotion à grande vitesse et le saut agile, mais n'a pas été conçu pour effectuer d'autres tâches, " dit Kim. " Avec le Cheetah III, nous avons mis beaucoup d'exigences pratiques sur la conception afin qu'elle puisse être un acteur complet. Il peut effectuer des mouvements à grande vitesse et des actions puissantes, mais ça peut aussi être très précis."

Le Biomimetic Robotics Lab est également en train de terminer un plus petit, version allégée du guépard, appelé le mini guépard, conçu pour la recherche et l'enseignement en robotique. D'autres projets incluent un robot humanoïde téléopéré appelé Hermes qui fournit un retour haptique aux opérateurs humains. Il existe également une enquête préliminaire sur l'application de la technologie d'actionneur de type Cheetah pour relever les défis de mobilité chez les personnes handicapées et les personnes âgées.

À la conquête de la mobilité sur terre

"Avec le projet Cheetah, J'étais d'abord motivé par la copie d'animaux terrestres, mais j'ai aussi réalisé qu'il y avait une lacune dans la mobilité au sol, " dit Kim. " Nous avons conquis le transport aérien et fluvial, mais nous n'avons pas conquis la mobilité terrestre car nos technologies reposent toujours sur des routes ou des rails artificiellement pavés. Aucune de nos technologies de transport ne peut se déplacer de manière fiable sur un sol naturel ou même dans des environnements artificiels avec des escaliers et des bordures. Les robots à pattes dynamiques peuvent nous aider à conquérir la mobilité au sol."

Un défi avec les systèmes à pattes est qu'ils "ont besoin d'actionneurs à couple élevé, " dit Kim. " Une articulation de la hanche humaine peut générer plus de couple qu'une voiture de sport, mais atteindre un tel actionnement à couple élevé condensé dans les robots est un grand défi."

Les robots ont tendance à atteindre un couple élevé au détriment de la vitesse et de la flexibilité, dit Kim. Les robots d'usine utilisent des actionneurs à couple élevé, mais ils sont rigides et ne peuvent pas absorber d'énergie lors de l'impact résultant de la montée des marches. Actionné hydrauliquement, robots à pattes dynamiques, comme le plus grand, charge utile plus élevée, Big Dog quadrupède de Boston Dynamics, peut atteindre une force et une puissance très élevées, mais au détriment de l'efficacité. "L'efficacité est un problème sérieux avec l'hydraulique, surtout quand tu bouges vite, " il ajoute.

L'un des principaux objectifs du projet Cheetah a été de créer des actionneurs capables de générer un couple élevé dans des conceptions imitant les muscles des animaux tout en atteignant l'efficacité. Pour y parvenir, Kim a opté pour des actionneurs électriques plutôt qu'hydrauliques. "Nos moteurs électriques à couple élevé ont dépassé l'efficacité des animaux dotés de muscles biologiques, et sont beaucoup plus efficaces, moins cher, et plus rapide que les robots hydrauliques, " il dit.

Cheetah III :Plus qu'un speedster

Contrairement aux versions précédentes, la conception du Cheetah III était davantage motivée par des applications potentielles que par la recherche pure. Kim et son équipe ont étudié les exigences d'un robot d'intervention d'urgence et ont travaillé en arrière.

"Nous pensons que le Cheetah III sera capable de naviguer dans une centrale électrique avec des radiations dans deux ou trois ans, " dit Kim. " Dans cinq à 10 ans, il devrait être capable de faire plus de travail physique comme le démontage d'une centrale électrique en coupant des morceaux et en les faisant sortir. Dans 15 à 20 ans, il devrait pouvoir entrer dans un incendie de bâtiment et peut-être sauver une vie."

Dans des situations telles que la catastrophe nucléaire de Fukushima, les robots ou les drones sont le seul choix sûr pour la reconnaissance. Les drones ont certains avantages par rapport aux robots, mais ils ne peuvent pas appliquer de grandes forces nécessaires pour des tâches telles que l'ouverture de portes, et il existe de nombreuses situations de catastrophe dans lesquelles des débris tombés empêchent le vol de drones.

Par comparaison, le Cheetah III peut appliquer des forces de niveau humain à l'environnement pendant des heures à la fois. Il peut souvent grimper ou sauter par-dessus des débris, ou même l'écarter. Par rapport à un drone, il est également plus facile pour un robot d'inspecter de près l'instrumentation, interrupteurs à bascule, et boutons poussoirs, dit Kim. "Le Cheetah III peut mesurer des températures ou des composés chimiques, ou fermer et ouvrir les vannes."

Les avantages par rapport aux robots à chenilles incluent la possibilité de manœuvrer sur des débris et de monter des escaliers. "Les escaliers sont parmi les plus gros obstacles pour les robots, " dit Kim. " Nous pensons que les robots à pattes sont meilleurs dans les environnements artificiels, surtout dans les situations de catastrophe où il y a encore plus d'obstacles."

Le Cheetah III était un peu ralenti par rapport au Cheetah II, mais aussi donné une plus grande force et flexibilité. "Nous avons augmenté le couple pour qu'il puisse ouvrir les lourdes portes que l'on trouve dans les centrales électriques, " dit Kim. " Nous avons augmenté l'amplitude de mouvement à 12 degrés de liberté en utilisant 12 moteurs électriques qui peuvent articuler le corps et les membres. "

C'est encore loin de la flexibilité des animaux, qui ont plus de 600 muscles. Encore, le Cheetah III peut compenser quelque peu avec d'autres techniques. "Nous maximisons l'espace de travail de chaque joint pour atteindre une accessibilité raisonnable, " dit Kim.

La conception peut même utiliser les jambes pour la manipulation. "En utilisant la flexibilité des membres, le Cheetah III peut ouvrir la porte avec une jambe, ", explique Kim. "Il peut se tenir sur trois pattes et équiper le quatrième membre d'une main interchangeable personnalisée pour ouvrir la porte ou fermer une vanne."

Le Cheetah III a une capacité de charge utile améliorée pour transporter des capteurs et des caméras plus lourds, et peut-être même de déposer des fournitures aux victimes handicapées. Cependant, c'est loin de pouvoir les sauver. Le Cheetah III est toujours limité à une charge utile de 20 kilogrammes, et peut voyager sans attache pendant quatre à cinq heures avec une charge utile minimale.

"Finalement, nous espérons développer une machine capable de sauver une personne, " dit Kim. " Nous ne savons pas si le robot porterait la victime ou apporterait un appareil de transport, ", dit-il. "Notre conception actuelle peut au moins voir s'il y a des victimes ou s'il y a d'autres événements potentiellement dangereux."

Expérimenter l'interaction homme-robot

Le Cheetah III semi-autonome peut prendre des décisions ambulatoires et de navigation par lui-même. Cependant, pour les travaux en cas de catastrophe, il fonctionnera principalement par télécommande.

"Contrôle totalement autonome, surtout en cas de catastrophe, serait très dur, " dit Kim. Entre autres problèmes, la prise de décision autonome prend souvent du temps, et peut impliquer des essais et des erreurs, ce qui pourrait retarder la réponse.

"Les gens contrôleront le Cheetah III à un niveau élevé, offrir de l'aide, mais ne traitant pas chaque détail, " dit Kim. " Les gens pourraient lui dire d'aller à un endroit spécifique sur la carte, trouver cet endroit, et ouvre cette porte. Lorsqu'il s'agit d'action manuelle ou de manipulation, l'humain prendra plus de contrôle et dira au robot quel outil utiliser."

Les humains peuvent également être en mesure d'aider avec des contrôles plus instinctifs. Par exemple, si le guépard utilise une de ses jambes comme un bras et applique ensuite la force, il est difficile de maintenir l'équilibre. Kim cherche maintenant à savoir si les opérateurs humains peuvent utiliser un "retour équilibré" pour empêcher le guépard de tomber tout en appliquant une force maximale.

"Même debout sur deux ou trois pattes, il serait toujours capable d'effectuer des actions de force élevée qui nécessitent un équilibrage complexe, " dit Kim. " L'opérateur humain peut sentir l'équilibre, et aidez le robot à modifier son élan pour générer plus de force pour ouvrir ou marteler une porte."

Le Biomimetic Robotics Lab explore une rétroaction équilibrée avec un autre projet de robot appelé Hermes (Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System). Comme le Cheetah III, c'est un tout articulé, robot à pattes dynamique conçu pour les interventions en cas de catastrophe. Encore, l'Hermès est bipède, et complètement téléopéré par un humain qui porte un casque de téléprésence et une combinaison intégrale. Comme l'Hermès, la combinaison est équipée de capteurs et de dispositifs de retour haptique.

"L'opérateur peut sentir la situation d'équilibre et réagir en utilisant le poids du corps ou en mettant directement en œuvre plus de forces, " dit Kim.

La latence requise pour un tel retour intime en temps réel est difficile à atteindre avec le Wi-Fi, même quand il n'est pas bloqué par des murs, distance, ou des interférences sans fil. « Dans la plupart des situations de catastrophe, vous auriez besoin d'une sorte de communication filaire, " dit Kim. " Finalement, Je pense que nous utiliserons des fibres optiques renforcées."

Améliorer la mobilité des personnes âgées

Au-delà de la réponse aux catastrophes, Kim envisage un rôle important pour agile, robots à pattes dynamiques dans les soins de santé :améliorer la mobilité de la population âgée en forte croissance. De nombreux projets de robotique ciblent le marché des personnes âgées avec des robots sociaux bavards. Kim imagine quelque chose de plus fondamental.

"Nous n'avons toujours pas de technologie qui puisse aider les personnes handicapées ou âgées à passer du lit au fauteuil roulant à la voiture et vice-versa, " dit Kim. " Beaucoup de personnes âgées ont du mal à se lever du lit et à monter les escaliers. Certaines personnes âgées ayant des problèmes d'articulation du genou, par exemple, sont encore assez mobiles sur terrain plat, mais ne peut pas descendre les escaliers sans aide. C'est une très petite fraction de la journée où ils ont besoin d'aide. Nous recherchons donc quelque chose de léger et facile à utiliser pour une aide ponctuelle."

Kim travaille actuellement sur "la création d'une technologie qui pourrait rendre l'actionneur sûr, " dit-il. " Les actionneurs électriques que nous utilisons dans le Cheetah sont déjà plus sûrs que d'autres machines car ils peuvent facilement absorber l'énergie. La plupart des robots sont rigides, ce qui causerait beaucoup de forces d'impact. Nos machines donnent un peu."

En combinant une telle technologie d'actionneur sûr avec une partie de la technologie Hermes, Kim espère développer un robot qui pourra aider les personnes âgées à l'avenir. « Les robots peuvent non seulement faire face aux pénuries de main-d'œuvre attendues pour les soins aux personnes âgées, mais aussi la nécessité de préserver l'intimité et la dignité, " il dit.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.