Les vers et les ressorts inspirent des avancées révolutionnaires dans le domaine des robots souples

Les chercheurs de Georgia Tech ont réalisé un exploit impressionnant : un robot souple de 12 cm capable de se propulser à 3 mètres dans les airs, atteignant ainsi la hauteur d'un panier de basket, malgré l'absence de jambes. La conception s'inspire du nematode, un ver rond microscopique plus fin qu'un cheveu humain, connu pour pouvoir sauter plusieurs fois la longueur de son corps.

Ce ver stocke de l'énergie élastique en pinçant son corps en spirales serrées, puis la libère soudainement pour se propulser vers le ciel ou vers l'arrière comme un acrobate. Les ingénieurs ont reproduit ce mouvement avec leur robot « SoftJM », une tige flexible en silicone renforcée par une colonne vertébrale rigide en fibre de carbone. En modifiant la façon dont il se plie, le robot peut se propulser vers l'avant ou vers l'arrière, sans roues ni pattes.

En action, ce robot bio-inspiré s'enroule comme un sprinter dans un bloc de départ avant de se redresser de manière explosive pour sauter. Des images à haute vitesse révèlent comment le ver courbe sa tête vers le haut et plie son abdomen pour sauter vers l'arrière, puis se redresse et plie sa queue pour bondir vers l'avant.

L'équipe de Georgia Tech a découvert que ces courbures prononcées, généralement problématiques dans les tuyaux ou les câbles, permettent au ver et au robot de stocker beaucoup plus d'énergie. Comme l'explique un chercheur, une paille pliée est inutile, mais un ver plié se comporte comme un ressort chargé. En laboratoire, le robot souple a réussi à reproduire ce mécanisme : il pince son milieu ou sa queue, accumule de la tension, puis la libère en une explosion d'environ un dixième de milliseconde pour s'envoler dans les airs.

Les robots souples ont le vent en poupe

La robotique souple est un domaine relativement nouveau mais en pleine expansion qui s'inspire souvent de la nature. Contrairement aux machines métalliques rigides, les robots souples sont construits à partir de matériaux flexibles qui peuvent se comprimer, s'étirer et s'adapter à leur environnement. Parmi les travaux pionniers, citons l'Octobot de Harvard, un robot entièrement autonome, fabriqué exclusivement à partir de silicone et de canaux fluides, sans aucune partie rigide, inspiré de la musculature de la pieuvre. Depuis lors, les ingénieurs ont mis au point toute une série de machines souples, allant des robots rampants ressemblant à des vers et des pinces gélatineuses aux exosquelettes portables et aux rouleaux inspirés des vignes.

Par exemple, des chercheurs de Yale ont conçu un robot souple inspiré de la tortue, dont les membres passent de nageoires souples à des « pattes terrestres » rigides pour nager ou marcher. À l'université de Californie à Santa Barbara, des scientifiques ont créé un robot semblable à une vigne qui pousse vers la lumière en utilisant uniquement une « peau » sensible à la lumière, s'étendant à travers des espaces étroits comme une tige de plante. Ces innovations bio-inspirées, parmi d'autres, démontrent comment les matériaux souples permettent des formes de mouvement entièrement nouvelles.

Les défenseurs de cette technologie affirment que les robots souples peuvent accéder à des environnements hors de portée des robots traditionnels. La National Science Foundation des États-Unis souligne que les machines souples adaptatives « explorent des espaces auparavant inaccessibles », y compris l'intérieur du corps humain. Certaines sont dotées d'une « peau » programmable qui modifie leur rigidité ou leur couleur pour se camoufler ou améliorer leur adhérence. Les ingénieurs explorent également des techniques telles que l'origami/kirigami et les polymères à mémoire de forme, qui permettent à ces robots de se reconfigurer à la volée.

Concevoir des mouvements flexibles

Concevoir un robot souple capable de se déplacer comme un animal présente des défis importants. Sans articulations rigides ni moteurs conventionnels, les ingénieurs doivent s'appuyer sur les propriétés des matériaux et une géométrie intelligente. Par exemple, le robot sauteur de Georgia Tech avait besoin d'une colonne vertébrale interne en fibre de carbone à l'intérieur de son corps en caoutchouc pour générer une force de ressort suffisante. L'intégration de capteurs et de systèmes de contrôle est également complexe. Comme le soulignent les ingénieurs de Penn State, les composants électroniques rigides traditionnels immobiliseraient un robot souple.

Pour rendre leur petit robot de sauvetage rampant « intelligent », ils ont méticuleusement réparti des circuits flexibles sur tout son corps afin de préserver sa souplesse. Même l'alimentation électrique pose un défi : certains robots souples utilisent des champs magnétiques externes ou de l'air comprimé, car le transport d'une batterie lourde entraverait leurs mouvements.

Les robots souples inspirés des nématodes de Georgia Tech (Photo : Candler Hobbs)

Un autre obstacle consiste à exploiter correctement les lois de la physique. L'équipe chargée du robot nématode a découvert que les plis étaient bénéfiques. Alors qu'un pli interrompt le flux dans un tube en caoutchouc standard, dans un corps souple semblable à un ver, il crée progressivement une pression interne, permettant une plus grande flexion avant la libération. Grâce à des simulations et des expériences avec des modèles de ballons remplis d'eau, les chercheurs ont prouvé que leur conception flexible pouvait stocker une énergie élastique importante lorsqu'elle était pliée et la libérer dans un saut rapide. Le résultat est remarquable : à partir d'une position immobile, le robot peut sauter à plusieurs reprises à une hauteur de 3 mètres simplement en fléchissant sa colonne vertébrale. Ces avancées dans le stockage et la libération d'énergie au sein de matériaux élastiques sont emblématiques de l'ingénierie robotique souple.

Des sauteurs et des assistants dans le monde réel

Quelles sont les applications pratiques de ces robots souples ? En théorie, ils peuvent fonctionner dans des situations trop dangereuses ou trop confinées pour les machines rigides. Dans les zones sinistrées, par exemple, les robots souples pourraient se faufiler sous les décombres ou dans les structures effondrées pour localiser les survivants. Penn State a présenté un prototype de robot rampant souple contrôlé magnétiquement, capable de se déplacer dans des débris étroits et même dans des canaux de la taille de vaisseaux sanguins.

En médecine, des robots souples microscopiques pourraient administrer des médicaments directement dans le corps. Une étude du MIT a imaginé un robot souple fin comme un fil naviguant dans les artères pour éliminer les caillots, ce qui permettrait de traiter les accidents vasculaires cérébraux sans chirurgie invasive. Des chercheurs de Harvard développent également des exosquelettes souples et portables, comme un manchon gonflable léger qui a aidé un patient atteint de SLA à lever l'épaule, améliorant instantanément son amplitude de mouvement.

Les agences spatiales s'intéressent également aux robots souples sauteurs. Les roues peuvent s'enliser dans le sable ou sur les rochers, mais un robot sauteur pourrait franchir les cratères et les dunes. La NASA conceptualise actuellement de nouveaux robots sauteurs pour la Lune et les lunes glacées. L'un des concepts, un robot de la taille d'un ballon de football nommé SPARROW, utiliserait des jets de vapeur provenant de glace vaporisée pour sauter sur plusieurs kilomètres à travers Europe ou Encelade. Dans la faible gravité de ces lunes, un petit saut couvre une grande distance : un saut d'un mètre sur Terre pourrait propulser un robot sur une centaine de mètres sur Encelade. L'objectif est que des essaims de ces robots sauteurs traversent des terrains inconnus « en toute liberté », là où les rovers à roues resteraient bloqués. Sur Terre, les futurs robots sauteurs souples pourraient aider les missions de recherche et de sauvetage en sautant par-dessus des rivières, de la boue ou des sols instables qui arrêteraient les robots conventionnels.

Les robots souples trouvent également leur place dans l'industrie et l'agriculture. La NSF souligne leur potentiel en tant qu'assistants collaboratifs sûrs dans les usines et les fermes, car ils cèdent au contact d'une personne. Les chercheurs ont même créé des pinces souples qui récoltent délicatement les fruits fragiles sans les abîmer. La flexibilité inhérente à ces machines leur permet de fonctionner dans des espaces trop petits ou trop souples pour les appareils rigides.

En fin de compte, les experts estiment que la robotique souple va transformer de nombreux domaines. Des vers aux combinaisons portables en passant par les hoppers lunaires, cette ligne de recherche démontre comment l'étude de petites créatures peut conduire à des progrès technologiques considérables.