Les sociétés modernes s'appuient sur la technologie de la robotique pour exécuter une vaste gamme de fonctions vitales au bon fonctionnement des systèmes de fabrication industrielle, ainsi qu'à d'autres secteurs comme la construction, santé et transports.

Cependant, une limitation clé de la plupart des robots est le fait qu'ils ne sont capables d'effectuer qu'une seule tâche répétitive, comme prendre un article dans un bac et le placer sur une bande transporteuse ou percer des trous selon un modèle prédéfini.

En reconnaissance de cette limitation, les chercheurs dans le domaine émergent de la robotique adaptative concentrent leur attention sur la façon dont les robots peuvent être rendus plus adaptables et utilisent des principes d'ingénierie mécanique pour créer des dispositifs de pointe capables de se reconfigurer pour exécuter un certain nombre de fonctions différentes. Par exemple, un drone polyvalent utilisé pour inspecter les infrastructures énergétiques telles que les plates-formes pétrolières offshore ou les éoliennes pourrait être équipé d'une technologie de préhension lui permettant de se percher sur des structures et d'effectuer une analyse plus approfondie par vent fort, ainsi que de capacités d'étanchéité et d'une technologie de propulsion lui permettant de effectuer des inspections de fondations sous la surface de l'océan.

Quelles technologies et techniques d'ingénierie mécanique sont utilisées dans le cadre de ce travail ? Quelles sont les principales applications actuelles et potentielles de la robotique adaptative ? Et à quelles innovations et tendances dans l'utilisation des systèmes d'ingénierie mécanique pour les technologies de robotique adaptative pouvons-nous nous attendre au cours des prochaines années ?

Reconfiguration

L'une des initiatives récentes les plus intéressantes dans ce domaine est celle de la Colorado State University (CSU), où une équipe de chercheurs a créé un certain nombre de petits, des robots légers capables de se reconfigurer en réponse aux différentes exigences des utilisateurs. En tant que chef de projet Dr Jianguo Zhao, professeur assistant au laboratoire de robotique adaptative du CSU, explique, son travail dans ce domaine se divise en trois catégories principales selon les forces d'actionnement employées.

Le premier est la reconfiguration par des muscles artificiels, qui implique une enquête sur la façon d'exploiter un muscle artificiel à faible coût fabriqué à partir de fils à coudre ménagers pour transformer la forme d'un robot donné. Cela a abouti à la création d'un lien qui peut se déplacer et conserver une autre forme sans apport d'énergie supplémentaire.

La deuxième catégorie de travaux explore comment exploiter des matériaux à rigidité variable pour reconfigurer les fonctions d'un robot donné, dans le cadre desquelles, doctorat L'étudiant Jiefeng Sun a construit un robot marcheur adaptatif qui peut réaliser plusieurs trajectoires de jambes.

La troisième catégorie étudie comment de nouveaux mécanismes passifs peuvent être utilisés pour permettre à des robots volants de se percher sur les murs, les lignes électriques ou les plafonds - dans le cadre desquels, doctorat l'étudiant Haijie Zhang a développé un robot équipé d'une pince souple et passive.

Pour activer de tels robots adaptatifs, Zhao révèle qu'il a adopté une gamme de technologies d'ingénierie mécanique de pointe, y compris la conception du mécanisme et de la machine, conception assistée par ordinateur, fabrication additive (impression 3D), modélisation cinématique et dynamique, analyse par éléments finis et mécatronique. Un exemple est un robot marcheur miniature, que l'équipe a créé grâce à l'impression 3D multimatériaux, une technologie capable d'imprimer des matériaux souples et rigides en une seule pièce.

« Dans ce robot, nous avons utilisé le matériau souple pour servir de joints de rotation souples et le matériau rigide pour servir de liens. Dans ce cas, on peut imprimer le corps et les quatre pattes du robot en une seule pièce sans assemblage, " il dit.

"En outre, afin d'analyser le comportement d'un tel robot, nous avons établi les modèles cinématiques et dynamiques pour prédire les trajectoires des jambes et les avons comparés aux résultats expérimentaux. Finalement, nous avons utilisé un système embarqué avec des microcontrôleurs et des communications sans fil pour contrôler le robot."

De l'avis de Zhao, les petits robots de ce type présentent de nombreux avantages par rapport aux robots plus gros et plus lourds. Par exemple, ils sont capables d'accéder et de naviguer dans des environnements étroits ou exigus dans lesquels les gros robots ne peuvent pas entrer. Selon lui, ils peuvent également être fabriqués à des coûts beaucoup plus faibles en utilisant la fabrication additive.

Malgré ces avantages évidents, Zhao admet que les petits robots trouvent souvent plus difficile de se déplacer dans de nombreux environnements. Pour remédier à ce, il dit qu'il vaut mieux les doter de "capacités de locomotion multiples" comme la marche, rampant, sauter ou voler, en utilisant un mécanisme spécialisé pour chaque fonction.

"Toutefois, il est difficile d'emballer plusieurs mécanismes spécialisés avec des actionnements séparés dans une petite taille - et la détection, le calcul et le contrôle sont également plus exigeants. Dans ce cas, plutôt qu'un mécanisme spécialisé pour chaque fonction, une solution originale est de permettre à des robots adaptatifs de se reconfigurer en réponse à un besoin, " il dit.

Cliquez sur les coléoptères

Autre part, une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois mène des recherches révolutionnaires sur le mouvement des coléoptères dans le but d'inspirer des robots plus agiles et adaptatifs. Dans le cadre de ce travail, l'équipe a utilisé des rayons X synchrotron à la source de protons avancée du laboratoire national d'Argonne pour étudier le mécanisme de verrouillage interne - ou de libération rapide - de l'insecte et a démontré comment une combinaison de morphologie et de mécanique de la charnière facilite un mécanisme de clic unique.

Comme Aimy Wissa, professeur adjoint au département de sciences mécaniques et d'ingénierie et chef du laboratoire de morphologie adaptative bio-inspirée de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, explique, la recherche s'appuie sur des travaux explorant le mécanisme de saut auto-redressant sans pattes des coléoptères. Dans le cadre de cet exercice, l'équipe a construit des prototypes d'un dispositif à ressort de type charnière qui sont incorporés dans un robot.

Plutôt que de compter sur leurs jambes, les scarabées sautent en fléchissant tout leur corps lorsqu'ils sont dans une position inversée. Au cours de cette phase, surnommé « flexion du corps, " l'insecte emmagasine de l'énergie avant de la libérer dans un saut presque vertical - une action qui aide également le scarabée à se redresser s'il tombe dans une position inversée. En étudiant la physique du saut de la créature, l'équipe de l'Illinois a pu développer un robot autonome à redressement automatique, en se concentrant en particulier sur les lois d'échelle entre les espèces de coléoptères et l'influence du rapport de masse de l'insecte sur son saut.

« Nous avons rapidement réalisé que les coléoptères du clic appartenaient à une classe d'organismes qui utilisent des stratégies de mouvement « à amplification de puissance » :ils utilisent des éléments de stockage élastiques pour stocker l'énergie et la libérer à un rythme beaucoup plus rapide que les muscles. de telles stratégies d'actionnement pour concevoir de petits robots plus agiles, peut se remettre des chutes, et sont capables de manœuvres rapides, " dit Wissa.

En filmant les coléoptères avec des caméras ultra-rapides, l'équipe de l'Illinois a découvert que leur saut peut être divisé en trois étapes :l'étape de pré-saut, la phase de décollage et la phase aéroportée. Dans le cadre de la phase de pré-saut, l'insecte plie son corps et maintient la position par friction tout en emmagasinant de l'énergie. Toujours en contact avec le sol, il commence à libérer de l'énergie pendant la phase de décollage en propulsant son centre de masse vers le haut. Au cours de la phase aérienne suivante, il fait des culbutes dans les airs, traçant une trajectoire globale qui suit un mouvement balistique alors que les unités corporelles séparées tournent autour du centre de masse. En utilisant les données de vidéos de scarabées en direct, Wissa et son équipe ont également développé deux modèles dynamiques de la phase de décollage et de la phase aéroportée.

Pendant la phase de décollage, la créature a également été modélisée comme un mécanisme à manivelle coulissante qui est actionné au point de charnière et la dynamique lagrangienne a été utilisée dans le cadre d'un modèle préliminaire à deux masses pour simuler le mouvement de rotation et de translation observé par l'insecte en vol.

"Ces stratégies de locomotion sont utiles comme source d'inspiration pour de nouvelles techniques d'actionnement pour des applications telles que la robotique et l'agriculture, " dit Wissa.

« Alors que les robots deviennent omniprésents dans notre vie quotidienne, ils devront s'adapter à la mission. La même plate-forme devra jouer des rôles différents. Par exemple, le même UAV [véhicule aérien sans pilote, ou drone] devra transporter une charge utile, éviter les obstacles, rester en l'air plus longtemps, et effectuer plusieurs manœuvres. Donc des structures adaptatives, ou des structures qui peuvent adapter leur forme et leur fonction à différents stimulants, deviendra plus critique au cours des prochaines années, " Elle ajoute.

Robots polyvalents

Zhao prédit que les petits robots adaptatifs auront de nombreuses applications prometteuses, allant de « la surveillance environnementale et la surveillance militaire, pour la recherche et le sauvetage dans les zones sinistrées. » Il s'attend également à ce que la petite taille permette une production à faible coût et économique, ouvrant la possibilité de les déployer pour des applications de niche spécifiques et de « former automatiquement des réseaux de capteurs mobiles et de travailler en collaboration pour accomplir des tâches données ».

Toutefois, Zhao souligne que deux défis principaux doivent être surmontés pour permettre aux robots adaptatifs. Premièrement, les processus de reconfiguration doivent être accélérés pour réaliser ce qu'il décrit comme une « reconfiguration en temps réel ». Le processus de reconfiguration des robots CSU prend généralement plusieurs minutes, car l'équipe doit chauffer et refroidir les composants utilisés pour la reconfiguration. C'est un problème parce que, dans certaines applications, comme le morphing des ailes pour les robots volants, les ailes doivent changer de forme en temps réel pour faire face à diverses situations aérodynamiques.

Deuxièmement, Zhao dit que les chercheurs « doivent encore établir un cadre fondamental et théorique pour les robots adaptatifs … si nous voulons accomplir plusieurs configurations souhaitées, comment devrions-nous bien concevoir le robot ainsi que spécifier la stratégie de reconfiguration ? Il n'y a pas de réponse claire à une question d'un si haut niveau."

Afin de relever le premier défi, Zhao explique que les chercheurs peuvent utiliser de nouveaux matériaux qui nécessitent moins d'énergie pour modifier la rigidité, tels que les alliages à bas point de fusion, qui passent d'un état rigide à un état mou à des températures plus basses. Pour relever le deuxième défi, il révèle que les universitaires peuvent développer des cadres théoriques pour prédire toutes les reconfigurations possibles pour une conception donnée, puis « exploiter les simulations informatiques pour synthétiser une conception afin d'obtenir les configurations souhaitées ».

"Regarder vers l'avant, Je pense que nous pourrons réaliser des robots adaptatifs qui peuvent avoir toutes sortes de capacités, comme la marche, en volant, natation ou escalade, Dans les prochaines années. Ceci peut être réalisé en exploitant le vaste choix de matériaux numériques offerts par l'impression 3D pour être utilisés dans la fabrication de robots adaptatifs et la miniaturisation de divers composants mécatroniques, par exemple, capteurs, actionneurs et microcontrôleurs - ainsi que des simulations haute fidélité de systèmes mécaniques avec des matériaux hétérogènes, en particulier pour les robots souples fabriqués à partir de matériaux souples, " il ajoute.