À la fin de l'été, juste au moment où les feuilles commençaient à croustiller et à s'enrouler sous la chaleur, Devin Carroll est sorti de son appartement, a regardé par terre et a ramassé quelques bâtons qui, selon lui, pourraient fonctionner pour son robot. Environ un demi-pouce d'épaisseur et la longueur d'une main d'adulte, il a dépouillé les trois bâtons de leur écorce et les a attachés avec de la ficelle à StickBot, un robot modulaire composé de circuits, d'actionneurs, d'un microcontrôleur et d'un pilote de moteur.

Alimentés par quatre piles AA, connectées par un labyrinthe de fils et de lumières clignotantes, les bras en bois de StickBot se lèvent et se déplacent maintenant, alimentant le robot sur la table du laboratoire Penn's General Robotics, Automation, Sensing &Perception (GRASP), où Carroll est un doctorat candidat à la Faculté d'Ingénierie et des Sciences Appliquées.

Contrôlant le robot à l'aide d'une application qu'il a conçue, Carroll montre comment StickBot peut passer de l'utilisation des bâtons comme jambes en "mode chenille" à leur utilisation comme bras. En « mode préhension », les bâtons sont fixés à une plaque de commande d'un côté pour former une articulation articulée tout en se déplaçant avec leur extrémité libre pour tenir une tasse en position verticale.

Plutôt qu'une invention statique et singulière, StickBot est une idée, un système flexible qui peut être reconfiguré de différentes manières. Robot modulaire, les composants de StickBot peuvent être ajoutés, ajustés et supprimés selon les besoins.

Mark Yim, le conseiller de Carroll, est à Penn depuis 17 ans et est l'actuel directeur du GRASP Lab. La grande polyvalence des robots modulaires présente un grand potentiel d'évolution de la technologie, déclare Yim. Une itération de ceci est des robots auto-configurables. "Les gens sont vraiment doués pour s'adapter à différents environnements :quand il fait froid, vous mettez un manteau. Et les robots peuvent faire ça aussi. Mais si les robots pouvaient aussi changer de forme, faire des choses différentes... ça vous donne plus de possibilités."

En plus d'un robot fabriqué à partir de bâtons, Carroll a également construit un robot fabriqué à partir de glace. Avec un corps rectangulaire et deux grandes roues, le robot ressemble à un croisement entre un camion monstre et un chariot Cushman. Il s'appelle, bien sûr, IceBot.

IceBot a décroché une entrée en 2020 dans le livre Guinness des records du monde en tant que premier robot entièrement fait de glace (sauf son pilote de moteur et ses actionneurs, que Carroll a intégrés dans des trous sculptés). Carroll espère que cette technologie sera un jour utilisée pour effectuer des missions en Antarctique ou sur une lune glacée, éventuellement en tant que robot auto-configurable. Pour l'instant, c'est une façon d'affiner ses idées sur les robots modulaires.

"La leçon apprise d'IceBot", dit Carroll, "est de ne pas avoir peur d'essayer une chose folle. Cela pourrait bien fonctionner."

Objets trouvés, réutilisation de matériaux

Avec StickBot, Carroll a poursuivi son expérimentation créative. Cette fois, il s'est concentré sur la réduction des coûts et sur la création d'un système simple capable d'effectuer un éventail de tâches.

"StickBot est un système robotique destiné à fournir aux utilisateurs une grande flexibilité à un coût extrêmement faible et nous le faisons en tirant parti de la modularité des matériaux trouvés", explique Carroll. "Nous avons un tas de branches d'arbres ou de bâtons et nous sommes capables de les assembler en structures en treillis dans différentes configurations. Ce faisant, nous pouvons obtenir des choses comme un robot à chenilles ou un robot à pinces ou vraiment, tout ce que vous pouvez imaginer. Derrière StickBot est la capacité de reconfigurer les choses et de les rendre extrêmement abordables."

Carroll estime que le coût total de construction de StickBot est inférieur à cent dollars pour un modèle simple, bien que des systèmes plus importants puissent coûter plus cher. Alors que certains composants (comme les actionneurs et le pilote du moteur) font partie intégrante de la fonction du robot, d'autres peuvent être remplacés en fonction de la tâche effectuée et des matériaux à portée de main. (Carroll explore l'utilisation de colle chaude et de ruban adhésif au lieu de ficelle.) Le robot devrait pouvoir être construit à partir de choses que les gens pourraient avoir sous la main, dit-il.

La philosophie de réduction, de réutilisation et de recyclage est avec Carroll depuis qu'il est jeune. Carroll a grandi dans une ferme du Massachusetts rural. Il était membre des 4-H; il élevait des moutons. "Tout ce que nous avons fait était destiné à être renouvelable", explique Carroll. "En construisant des choses comme des granges ou des hangars, nous essayons de réutiliser autant de matériaux que possible."

Plus tard, Carroll est allé à l'Université du Massachusetts à Amherst pour le génie mécanique et a suivi un programme d'été d'expérience de recherche pour les étudiants de premier cycle (REU) à Harvard, où il a construit son premier robot. "J'étais en deuxième année à l'école d'ingénieurs, je n'avais aucune idée de ce que je voulais faire", déclare Carroll. "Cet hiver-là, je travaillais à Harvard Forest, je faisais juste de la maintenance pour eux. Un chercheur est venu vers moi et m'a dit :"Vous êtes ingénieur en mécanique, n'est-ce pas ?" Pouvez-vous construire ce robot pour moi ?"

Carroll a construit le robot, "essentiellement une boîte avec un tas de capteurs", dit-il, et a conçu une piste de tramway dans la canopée des arbres, à trois hauteurs d'échafaudage. Alimenté par une batterie solaire, le robot a été conçu pour traverser une zone afin d'aider les écologistes à déterminer à quelle vitesse la forêt repousserait après une coupe à blanc.

Ce fut une expérience marquante pour un jeune ingénieur. "J'étais là, entouré d'écologie et d'arbres et de tous ces chercheurs et scientifiques. Les gens là-bas étaient très concentrés sur la façon dont nous pouvons affecter le monde qui nous entoure de manière positive et créer une ressource renouvelable afin que nous n'utilisions pas simplement quelque chose , nous redonnons en fait."

Abordable et accessible

Une application possible pour un robot de type StickBot est la réadaptation dans les soins de santé mondiaux, que ce soit en tant que prothèse ou en thérapie. Les procédures médicales haut de gamme sont très bien, dit Carroll, mais sont-elles abordables dans tous les contextes ? Et une fois que cet appareil high-tech tombe en panne, avec quelle facilité peut-il être réparé ?

"Si nous pouvions déployer le système robotique comme StickBot dans un scénario comme celui-là, nous pouvons soudainement avoir un impact sur la vie de beaucoup plus de personnes", déclare Carroll. Le StickBot étant un robot modulaire relativement simple, ses composants peuvent être réparés et remplacés plus facilement.

"En offrant aux gens la possibilité d'utiliser des matériaux autour d'eux, nous faisons deux choses", déclare Carroll. "Premièrement, nous réduisons le coût des matériaux, qui sont majorés. Deuxièmement, nous pouvons réduire la complexité sans réduire la fonction opérationnelle."

C'est certainement une idée opportune pour la santé mondiale, déclare Michelle J. Johnson, professeure agrégée de médecine physique et de réadaptation à la Perelman School of Medicine de Penn. Johnson, qui est directeur du laboratoire de robotique de réadaptation (A GRASP Lab), fait également des recherches au Botswana. "L'un des grands problèmes est l'abordabilité", dit-elle. Il est nécessaire de soutenir les cliniciens dans les milieux à faibles ressources, mais comment pouvons-nous faire ?"

Le concept de robots abordables qui exploitent des matériaux locaux et abondants est convaincant, dit Johnson, car lorsque les matériaux et l'électronique doivent être importés, les coûts peuvent augmenter rapidement.

Un robot modulaire peut également être personnalisable et les cliniques de santé pourraient investir dans la fonctionnalité du robot au fil du temps. "Peut-être qu'aujourd'hui vous pouvez vous permettre un seul module, et demain vous pouvez vous permettre le second, et maintenant, vous avez un système que vous pouvez utiliser de plusieurs façons", déclare Johnson. "Vous pouvez construire au fur et à mesure."

Le système StickBot a le potentiel d'être utilisé comme robot social, thérapeutique, prothétique ou d'assistance, déclare Johnson. Au Botswana, certains des patients de Johnson sont séropositifs, ce qui peut déclencher des accidents vasculaires cérébraux. Un robot thérapeutique comme StickBot pourrait être utilisé pour répondre à un besoin fonctionnel immédiat ou aider les patients à effectuer un exercice de physiothérapie, dit-elle.

L'application fonctionnelle des idées est importante pour Carroll. Il veut que tout le monde ait accès à un design intéressant qui a le potentiel d'améliorer des vies.

"Avez-vous vu "Big Hero 6"?", demande Carroll. Il pense que le film Disney devrait être obligatoire, du moins pour ceux qui s'intéressent à la robotique. Dans ce film, le héros assiste à une présentation d'ingénierie pour les étudiants et brandit son invention - qui ressemble à une minuscule limaille de fer, plus petite qu'un petit doigt. Le public n'est pas impressionné. Ensuite, le héros montre ce que des milliers de ces petits doohickeys peuvent faire. Les robots modulaires s'enchaînent et se séparent à nouveau, construisant sans effort des échafaudages et créant un tapis roulant à l'envers. Les possibilités ne sont limitées que par l'imagination du héros.

"Avoir la flexibilité de faire plus de choses signifie que vous pouvez aider plus de gens", déclare Carroll. "Et si vous pouvez le rendre peu coûteux, c'est encore mieux." + Explorer plus loin

Un robot fait de glace pourrait s'adapter et se réparer sur d'autres mondes