Robotique douce

Soft Robotics est le sous-domaine spécifique de la robotique traitant de la construction de robots à partir de matériaux hautement conformes, similaires à ceux trouvés dans les organismes vivants.

La robotique douce tire beaucoup de la manière dont les organismes vivants se déplacent et s’adaptent à leur environnement. Contrairement aux robots construits à partir de matériaux rigides, les robots souples permettent une flexibilité et une adaptabilité accrues pour l’accomplissement des tâches, ainsi qu’une sécurité accrue lors du travail avec des humains. Ces caractéristiques permettent son utilisation potentielle dans les domaines de la médecine et de la fabrication.

Types et dessins
La majeure partie du domaine de la robotique douce repose sur la conception et la construction de robots entièrement en matériaux compatibles, le résultat final étant similaire aux invertébrés tels que les vers et les pieuvres. Le mouvement de ces robots est difficile à modéliser, car la mécanique du continuum s’applique à eux, et on les désigne parfois comme des robots à continuum. Soft Robotics est le sous-domaine spécifique de la robotique traitant de la construction de robots à partir de matériaux hautement conformes, similaires à ceux trouvés dans les organismes vivants. De la même manière, la robotique douce tire aussi beaucoup de la manière dont ces organismes vivants se déplacent et s’adaptent à leur environnement. Cela permet aux scientifiques d’utiliser des robots logiciels pour comprendre les phénomènes biologiques à l’aide d’expériences difficiles à réaliser sur leurs homologues biologiques d’origine. Contrairement aux robots construits à partir de matériaux rigides, les robots souples permettent une flexibilité et une adaptabilité accrues pour l’accomplissement des tâches, ainsi qu’une sécurité accrue lors du travail avec des humains. Ces caractéristiques permettent son utilisation potentielle dans les domaines de la médecine et de la fabrication. Cependant, il existe des robots rigides capables également de déformations continues, notamment le robot à bras de serpent.

De plus, certaines mécaniques robotiques douces peuvent être utilisées en tant que pièce dans un robot plus gros et potentiellement rigide. Des effecteurs d’extrémité robotisés doux existent pour saisir et manipuler des objets et ils ont l’avantage de produire une force faible qui permet de tenir des objets délicats sans les casser.

De plus, les robots hybrides souples-rigides peuvent être construits en utilisant un cadre interne rigide avec des extérieurs souples pour la sécurité. L’extérieur souple peut être multifonctionnel, car il peut servir à la fois d’actionneur pour le robot, similaire aux muscles des vertébrés, et de rembourrage en cas de collision avec une personne.

Biomimétrie
Les cellules végétales peuvent naturellement produire une pression hydrostatique en raison d’un gradient de concentration de soluté entre le cytoplasme et l’environnement extérieur (potentiel osmotique). De plus, les plantes peuvent ajuster cette concentration par le mouvement des ions à travers la membrane cellulaire. Cela modifie ensuite la forme et le volume de la plante à mesure qu’elle réagit à cette modification de la pression hydrostatique. Cette évolution de forme dérivée de la pression est souhaitable pour la robotique douce et peut être émulée pour créer des matériaux adaptant la pression grâce à l’utilisation d’un écoulement de fluide. L’équation suivante modélise le taux de changement de volume de la cellule:


 est le taux de changement de volume.
 est la membrane cellulaire.
 est la conductivité hydraulique du matériau.
 est le changement de pression hydrostatique.
 est le changement de potentiel osmotique.

Ce principe a été mis à profit dans la création de systèmes de pression pour la robotique douce. Ces systèmes sont composés de résines molles et contiennent plusieurs poches de fluide avec des membranes semi-perméables. La semi-perméabilité permet un transport de fluide qui conduit ensuite à la génération de pression. Cette combinaison de transport de fluide et de génération de pression entraîne alors un changement de forme et de volume.

Un autre mécanisme de changement de forme inhérent à la biologie est celui du changement de forme hygroscopique. Dans ce mécanisme, les cellules végétales réagissent aux changements d’humidité. Lorsque l’atmosphère environnante est très humide, les cellules de la plante gonflent, mais lorsque l’atmosphère environnante est peu humide, les cellules de la plante se contractent. Ce changement de volume a été observé dans les grains de pollen et les écailles de cônes de pin.

Défis scientifiques
Selon le groupe IEEE.org, ces défis sont interdisciplinaires et certains envisagent encore la prospective. ils concernent en particulier:

les apports des biomimétiques Une grande partie des êtres vivants est constituée d’êtres mous et les organes internes le sont presque toujours.
méthodes et outils (logiciels) pour la modélisation et la simulation d ‘”orgues robotisées” (éventuellement “monoblocs” complexes et imprimées en 3D); De nombreux robots ont une forme qui rappelle les invertébrés, mais la robotique douce peut également contribuer à la création de robots humanoïdes complexes.
études de matériaux flexibles non conventionnels (encore en phase exploratoire);
l’inventaire hiérarchique des matériaux flexibles disponibles et utiles ou souhaitables pour tout ou partie des applications robotiques (conventionnelles et futures);
les meilleurs outils et méthodes de fabrication et / ou d’assemblage de ce type de robot;
l’intégration de capteurs devant évoluer vers des capteurs 7 “souples et extensibles” (y compris pour une éventuelle peau photovoltaïque) dans une structure plus ou moins élastique et déformable;
un actionnement révisé pour être adapté au robot logiciel, éventuellement “modulaire” et / ou améliorant les systèmes d ‘”adaptations passives” (économie d’énergie);
auto-organisation interne et capacités de contrôle distribuées
systèmes de contrôle complètement révisés (cobotics);
le prototypage, les tests (y compris le vieillissement);
renforcement et meilleur partage des connaissances et du savoir-faire technologique en robotique flexible;
les possibilités de “réparation” en ce qui concerne les problèmes de résilience;
l’auto-réplication;
applications pour une “robotique douce”.

Spécificités robotiques
Un robot flexible interagit différemment avec son environnement, car il peut générer ou subir des déformations élastiques plus ou moins contraintes par sa morphologie, sa taille, le degré d’élasticité et la cohérence de sa structure.

Il est souvent – mais pas nécessairement – biomimétique (ou bio-inspiré) et toujours caractérisé par l’utilisation de matériaux spécifiques.

Ses actionneurs sont en partie différents ou adaptés.

Ils ont des inconvénients et des avantages par rapport aux robots rigides.

Désavantages
Le domaine de la robotique douce est encore très émergent. Cela n’a été prouvé que par quelques prototypes. Il n’existe pas ou peu de pièces de rechange ou de robots souples commercialisés, et R & amp; D les financements sont encore orientés préférentiellement vers la robotique classique;

le comportement des matériaux mous (et des structures flexibles, en particulier lorsqu’ils sont complexes) est beaucoup plus difficile à modéliser que les matériaux durs, et donc plus difficile à contrôler et à exploiter;
Certains des matériaux mous qui les constituent sont vulnérables à certaines agressions extérieures (bien que dans certains cas, le caractère “doux” permette également d’absorber l’énergie des chocs ou des effets du “coup de poing” et de protéger le robot.

Les avantages
les structures déformables permettent à un robot logiciel de mieux s’adapter à certaines situations ou tâches dynamiques, y compris dans un environnement incertain (déplacement dans un fluide à forte turbulence, locomotion dans un sol accidenté et inconnu, action d’un objet de forme saisissant, de son poids et de sa fragilité inconnue) ) .. ou au contact d’un être vivant ou d’un organe (dans le cas d’un robot chirurgical ou industriel);

les progrès rapides de l’injection d’élastomère, puis de l’impression 3D de certains élastomères, permettent de mouler (et d’imprimer aujourd’hui) des mélanges de polymères élastiques, d’élasticité différente, ouvrant de nouvelles possibilités; Il semble même possible dans un proche avenir d’associer des polymères synthétiques à des biopolymères, ou à des cellules vivantes;

Certains matériaux souples et élastiques ont un intérêt énergétique: par exemple, les matériaux à changement de phase, les structures déformables (ressorts, par exemple), la mémoire de forme ou l’intégration d’un gaz comprimé peuvent également théoriquement stocker et libérer une certaine quantité d’énergie. Cette énergie peut être utilisée pour les mouvements et les changements de forme du robot et / ou être mobilisée pour d’autres tâches;

Après avoir été déchirés, percés ou légèrement endommagés, certains élastomères constitués de réseaux covalents thermoréversibles (appelés “polymères de Diels-Alder” ou “polymères de Diels-Alder” pour les anglophones) peuvent (simplement en étant légèrement chauffés puis refroidis) remonter; Des enveloppes robustes ou des organes capables d’auto-guérison deviennent ainsi possibles. Les tests publiés en 2017 par Science Robotics montrent que les matériaux peuvent ensuite se réparer eux-mêmes après des coupes, puis reculer malgré des cicatrices presque complètes, même après deux cycles de réparation / cicatrisation. Ceci a été testé avec succès pour trois actionneurs pneumatiques de robotique flexible (forceps flexibles, mains et muscles artificiels) s’auto-cicatrisant après des blessures par perforation, déchirure ou coups sur le polymère en question;

La robotique douce est souvent beaucoup moins chère que les composants les plus difficiles des robots “classiques”.

Fabrication
Les techniques de fabrication conventionnelles, telles que les techniques soustractives telles que le forage et le fraisage, ne sont d’aucune utilité pour la construction de robots souples, car ces robots ont des formes complexes avec des corps déformables. Par conséquent, des techniques de fabrication plus avancées ont été développées. Ceux-ci comprennent la fabrication par dépôt de forme (SDM), le processus de microstructure composite intelligente (SCM) et l’impression 3D multi-matériaux.

SDM est un type de prototypage rapide dans lequel le dépôt et l’usinage sont cycliques.Essentiellement, on dépose un matériau, on l’usine, on incorpore une structure souhaitée, on dépose un support pour ladite structure, puis on usine ensuite le produit selon une forme finale qui comprend le matériau déposé et la partie incorporée. Le matériel embarqué comprend des circuits, des capteurs et des actionneurs. Les scientifiques ont intégré avec succès des commandes dans des matériaux polymères afin de créer des robots logiciels, tels que Stickybot et iSprawl.

Le SCM est un processus dans lequel on combine des corps rigides en polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) avec des ligaments de polymère flexibles. Les polymères flexibles agissent comme des joints pour le squelette. Avec ce processus, une structure intégrée du PRFC et des ligaments polymères est créée par le biais d’un usinage au laser suivi d’un laminage. Ce processus SCM est utilisé dans la production de robots de moyenne échelle, car les connecteurs en polymère servent d’alternatives à faible frottement aux joints à broche.

L’impression 3D peut maintenant être utilisée pour imprimer une large gamme d’encres à base de silicone à l’aide de Robocasting, également appelé écriture directe à l’encre (DIW). Ce procédé de fabrication permet une production sans soudure d’actionneurs élastomères fluidiques avec des propriétés mécaniques définies localement. Il permet en outre la fabrication numérique d’actionneurs pneumatiques en silicone présentant des architectures et des mouvements bioinspirés programmables. Une large gamme de softrobots entièrement fonctionnels ont été imprimés selon cette méthode, notamment les mouvements de flexion, de torsion, de saisie et de contraction. Cette technique évite certains des inconvénients des procédés de fabrication classiques tels que le délaminage entre des pièces collées. Un autre procédé de fabrication additive qui produit des matériaux de morphing de forme dont la forme est photosensible, activée thermiquement ou sensible à l’eau. Essentiellement, ces polymères peuvent changer automatiquement de forme lors d’une interaction avec l’eau, la lumière ou la chaleur. Un tel exemple de matériau de morphing de forme a été créé grâce à l’impression à jet d’encre réactive légère sur une cible en polystyrène. De plus, les polymères à mémoire de forme ont été prototypés rapidement et comprennent deux composants différents: un squelette et un matériau de charnière. Lors de l’impression, le matériau est chauffé à une température supérieure à la température de transition vitreuse du matériau de charnière. Cela permet de déformer le matériau de la charnière sans affecter le matériau du squelette. En outre, ce polymère peut être reformé en continu par chauffage.

Contrôle
Tous les robots logiciels ont besoin d’un système pour générer des forces de réaction, pour permettre au robot d’intervenir et d’interagir avec son environnement. En raison de la nature souple de ces robots, ce système doit pouvoir le déplacer sans utiliser de matériaux rigides pour agir comme les os dans les organismes ou la structure métallique dans les robots rigides. Cependant, plusieurs solutions à ce problème d’ingénierie existent et ont trouvé une utilisation, chacune possédant des avantages et des inconvénients.

L’un de ces systèmes utilise des actionneurs élastomères diélectriques (DEA), des matériaux qui changent de forme par l’application d’un champ électrique à haute tension. Ces matériaux peuvent générer des forces élevées et une puissance spécifique élevée (W / kg). Cependant, ces matériaux conviennent mieux aux applications dans les robots rigides, car ils deviennent inefficaces lorsqu’ils n’agissent pas sur un squelette rigide. De plus, les hautes tensions requises peuvent devenir un facteur limitant dans les applications pratiques potentielles de ces robots.

Un autre système utilise des ressorts en alliage à mémoire de forme. Bien que fabriqués en métal, un matériau traditionnellement rigide, les ressorts sont fabriqués à partir de fils très minces et sont tout aussi souples que d’autres matériaux souples. Ces ressorts ont un rapport force / masse très élevé, mais s’étendent sous l’application de chaleur, ce qui est inefficace du point de vue énergétique.

Les muscles artificiels pneumatiques sont une autre méthode utilisée pour contrôler des robots doux.En modifiant la pression à l’intérieur d’un tube flexible, il agira comme un muscle, se contractant, s’étendant et appliquant une force à ce à quoi il est attaché. Grâce à l’utilisation de valves, le robot peut conserver une forme donnée en utilisant ces muscles sans apport d’énergie supplémentaire.Cependant, cette méthode nécessite généralement une source externe d’air comprimé pour fonctionner.

L’histoire
Des horloges, des automates et des jouets mécaniques utilisent depuis plusieurs décennies diverses formes de ressorts et parfois de cuir, des tissus formant des liaisons souples, ou encore des élastiques torsadés ou de l’air comprimé dans un ballon servant de réserve d’énergie. Mais les polymères nécessaires à la fabrication de robots réels, solides et durables ne sont disponibles que depuis quelques décennies.

Depuis environ un demi-siècle, les robots industriels sont rigides et plutôt adaptés à des tâches rapides et répétitives. Des matériaux plus ou moins souples ou mous ont parfois été utilisés dans leur construction, mais étaient souvent d’importance secondaire; elles étaient réservées aux câbles en mouvement, aux conduites de fluide, aux chemises de joint, aux systèmes à vide (pour saisir des objets fragiles, par exemple) ou à l’amortissement des chocs, etc. La science-fiction dans les bandes dessinées, les romans et les films a popularisé les robots humanoïde, y compris avec une peau synthétique).

De 2009 à 2012, l’apparition de silicones techniques, de divers autres polymères moulables, de matériaux à mémoire de forme a permis d’explorer de nouvelles pistes. L’utilisation de polymères électroactifs et la possibilité de produire des systèmes musculaires artificiels (y compris ceux à base d’hydrogel électroactif), associées à l’amélioration régulière des performances des imprimantes 3D, pourraient notamment, dans le cadre du développement de la biomimétique, stimuler le développement de une robotique douce permettant de nouvelles capacités telles que la compression, l’étirement, la torsion, le gonflement, le morphing, etc. d’une manière qui serait impossible avec des éléments rigides de la robotique classique.

En 2013, lors d’une conférence internationale consacrée à l’intelligence artificielle et dans un article résumant leur point de vue, Rolf Pfeifer et ses collègues de l’Université de Zurich présentent les robots doux et la biomimétique comme la nouvelle génération de “machines intelligentes”.

Les récentes découvertes et démonstrations ont également (et par exemple) porté sur:

“robotique au gaz” (qui se concentre sur des robots plus légers que l’air)
l’intérêt des appendices mous et préhensiles, comme la corne d’éléphant ou les tentacules, éventuellement miniaturisés; dans ce cas, les hydrostats musculaires souvent constitués presque entièrement de tissus musculaires et conjonctifs peuvent changer de forme s’ils sont mis sous pression par osmose, ainsi que dans certains organes de plantes ou de champignons.
un fil à remontage automatique et très extensible (imitant le principe des gouttes qui enrobent les toiles d’araignées)
l’utilisation de matériaux simples tels que des grains de sable pouvant être “façonnés” selon le principe de “transition de coincement” pour donner l’équivalent d’un forceps robotique d’abord souple et enveloppant, qu’il peut ensuite être durci à volonté
Matériaux à mémoire de forme
composites de polymère ionique
élastomères diélectriques (ou DE pour élastomères diélectriques.
l’utilisation de l’impression 3D par exemple pour produire un robot à corps souple sans fil ou sans batterie dans lequel un petit réservoir de peroxyde d’hydrogène sert de source de gaz (pouvant être activé en mettant le peroxyde en contact avec un catalyseur (platine) capable de gonfler un réseau de chambres pneumatiques imprimées en 3D (par exemple, Octobre présenté en 2016).
Les prévisionnistes attendent des robots capables de s’auto-réparer, de croître, de recycler ou de se biodégrader et peuvent configurer leur morphologie pour différentes tâches et / ou environnements.
Des micro-robots mous (éventuellement microscopiques) sont également attendus par certains (conséquence logique du croisement de la robotique douce et de la miniaturisation), mais d’autres comme (Jay) Kim se demandent pourquoi; Existe-t-il des raisons impérieuses ou motivantes de les inventer?

Usages et applications
Les robots médicaux peuvent être mis en œuvre dans la profession médicale, en particulier pour la chirurgie invasive. Des robots doux peuvent être conçus pour assister les chirurgies en raison de leurs propriétés de changement de forme. Le changement de forme est important car un robot logiciel peut naviguer autour de différentes structures du corps humain en ajustant sa forme. Cela pourrait être accompli grâce à l’utilisation d’un actionnement fluidique.

Les robots logiciels peuvent également être utilisés pour la création d’exosuits flexibles, pour la rééducation des patients, l’assistance aux personnes âgées ou simplement pour renforcer la force de l’utilisateur. Une équipe de Harvard a créé une exosuit en utilisant ces matériaux afin de donner les avantages de la résistance supplémentaire apportée par une exosuit, sans les inconvénients liés à la manière dont les matériaux rigides limitent les mouvements naturels d’une personne.

Traditionnellement, les robots de fabrication étaient isolés des travailleurs humains pour des raisons de sécurité. En effet, un robot rigide en collision avec un humain pourrait facilement causer des blessures en raison du mouvement rapide du robot. Toutefois, les robots logiciels peuvent travailler aux côtés des humains en toute sécurité, car lors d’une collision, la nature souple du robot empêcherait ou minimiserait les blessures potentielles.

Revues internationales
Robotique douce (SoRo)
Section Robotique douce de Frontiers in Robotics and AI
Événements internationaux
2018 Robosoft, première conférence internationale de l’IEEE sur la robotique douce, du 24 au 28 avril 2018, Livourne, Italie
2017 Atelier IROS 2017 sur la conception morphologique souple pour la sensation, l’interaction et l’affichage haptique, le 24 septembre 2017, Vancouver, Colombie-Britannique, Canada
Premier défi de robotique douce 2016, 29-30 avril, Livourne, Italie
Semaine Soft Robotics 2016, 25-30 avril, Livourne, Italie
2015 “Robotique douce: Actionnement, intégration et applications – Combiner les perspectives de recherche pour un bond en avant dans la technologie de la robotique douce” à l’ICRA2015, Seattle, WA
Atelier 2014 sur les avancées de la robotique douce, Conférence 2014 sur la robotique et les systèmes (RSS), Berkeley, Californie, 13 juillet 2014
Atelier international 2013 sur la robotique douce et le calcul morphologique, Monte Verità, du 14 au 19 juillet 2013
Université d’été 2012 sur la robotique douce, Zurich, 18-22 juin 2012

Dans la culture populaire
Le film 2014 de Big Hero 6 a tourné autour d’un robot doux, Baymax, conçu à l’origine pour être utilisé dans le secteur de la santé. Dans le film, Baymax est présenté comme un grand robot, pourtant peu intimidant, avec un extérieur en vinyle gonflé entourant un squelette mécanique. Le concept Baymax repose sur des recherches dans la vie réelle sur les applications de la robotique douce dans le domaine de la santé, telles que celles du robotiste Chris Atkeson au Robotics Institute de Carnegie Mellon.

Communauté scientifique
Certains éléments de robots “classiques” (industriels, militaires, etc.) ont longtemps été fabriqués avec des matériaux tendres et parfois élastiques, mais l’idée de robots presque entièrement “mous” est récente. Il associe à la robotique classique de nouveaux types de modélisation et des disciplines qui n’étaient que peu (chimie des polymères en particulier). Les principes de conception et de construction doivent en grande partie être revus.

Début 2010, une communauté scientifique et technique internationale s’est réunie autour de l’idée d’explorer les pistes ouvertes par la robotique douce, avec:

depuis octobre 2012, un comité technique IEEE RAS dédié à la robotique douce (comité technique IEEE RAS sur la robotique douce) dont la mission est de coordonner le milieu de la recherche;
depuis 2014, un journal consacré à la robotique déformable est publié tous les trois mois.
en France, une équipe de recherche de l’INRIA en a fait sa spécialité.

Innovation
L’un des défis à relever (y compris la réparation de robots flexibles) consiste à disposer d’une colle souple, élastique et imperméable. Cela semble être sur le point de se produire: à la mi-2017, des physiciens universitaires ont réussi à produire en laboratoire une colle très élastique au cyanoacrylate pouvant coller des substances dures et / ou molles (y compris des composants électroniques) sur des hydrogels (matériaux tels que les “Gels” utilisés dans certains dispositifs médicaux et robots flexibles). Cela ouvre la voie à la création de batteries et de circuits électriques véritablement élastiques et extensibles. Le cyanoacrylate est associé à un composant organique (qui, sans être un solvant, diffuse rapidement dans la masse fondue afin d’empêcher sa fragilisation).Au moment de presser, la prise de la colle prend quelques secondes 29. L’élasticité peut atteindre 2000%.

En 2017, les chercheurs ont réussi à développer le premier robot logiciel capable de se déplacer sans moteur ni système mécanique. Une innovation qui, en utilisant des alliages à mémoire de mémoire, ouvre de nombreuses possibilités dans la recherche aérospatiale et nanoscopique.