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Robots mous : pourquoi et comment la robotique arrondit ses angles

La rédaction
Robots mous : pourquoi et comment la robotique arrondit ses angles

Objets de nombreux travaux de recherche, les robots souples ou flexibles pourraient bientôt s’imposer dans la santé et l’industrie. Mais cela suppose de repenser l’approche des systèmes automatisés, leur conception et la simulation de leur comportement, détaillent Christophe Duriez, directeur de recherche à l'Inria Lille et responsable de l'équipe Defrost (deformable robotic software) et Alexandre Kruszewski, maître de conférences à Centrale Lille et membre de l'équipe Defrost.

Et si les robots de demain n’étaient plus conçus comme des squelettes rigides ? Et s’ils étaient mis en mouvement, non plus par un système articulaire, mais par la déformation de leur structure ? Tel est l’enjeu de la robotique souple, qui renouvelle en profondeur l’approche de la conception de ces machines en redéfinissant les bases de leur design. Ce changement de paradigme ouvre des perspectives particulièrement attrayantes, mais entraîne aussi de nouveaux défis pour la recherche.

La robotique traditionnelle a souvent cherché à optimiser la conception et le choix des matériaux pour privilégier la rigidité des structures. L’optimum étant d’obtenir des robots très rigides avec le minimum de masse embarquée. L’avantage d’un rapport masse – raideur minimal étant d’avoir un robot qui n’oscille pas (ou seulement à haute fréquence), ce qui permet de simplifier son positionnement dans l’espace, étant donné qu’il est supposé être totalement indéformable. De son côté, la robotique souple apporte deux changements majeurs : l’utilisation de matériaux souples (« soft material robotics ») et la déformation – intentionnelle – du robot lors de son mouvement (« deformable robotics »). Ces avancées sont liées à une meilleure connaissance des matériaux naturellement souples (polymères, composites…), à l’accroissement de la puissance de calcul nécessaire pour simuler le comportement de ces robots, et à une plus grande facilité à fabriquer des structures déformables, en particulier grâce à l’impression 3D.


De l'idée au prototype, la robotique souple s'appuie sur les bénéfices des nouveaux matériaux et sur les
outils de simulation qui ont gagné en précision grâce à l'augmentation de la puissance de calcul.

1. Approche
Des qualités prometteuses

Si les robots souples retiennent actuellement toute l’attention des concepteurs, c’est parce qu’ils présentent plusieurs avantages. Tout d’abord, ils sont capables de se faufiler dans un environnement complexe grâce à un nombre d’actionneurs souvent très supérieur à celui que l’on trouve en robotique rigide. De plus, ils sont naturellement moins dangereux pour eux-mêmes et pour leur environnement, notamment en cas de collision. Lorsqu’ils doivent, par exemple, saisir un objet, les forces de contact se répartissent mieux, limitant ainsi les conséquences de l’impact. Ces robots, qui peuvent interagir mécaniquement et directement avec l’utilisateur tout en garantissant sa sécurité, sont naturellement destinés à la cobotique, autre nom de la robotique collaborative. L’opérateur et le robot souple pourront exécuter des tâches communes, sans grillage de sécurité entre eux. Aujourd’hui, pour assurer la sécurité des co-robots reposant sur une architecture rigide, on doit placer de nombreux capteurs et limiter leur vitesse. Cela ne sera peut-être plus nécessaire avec la conception de robots souples. Le fonctionnement de ces robots, dont les mouvements sont créés par déformations, permet par ailleurs une répartition, dans l’ensemble de la structure, des contraintes associées au port d’une charge, évitant que celles-ci se concentrent au niveau des articulations. Enfin, si l’on envisage de fabriquer des micro-robots, et donc de changer d’échelle, le fait de se passer des articulations simplifiera les choses.

2. Applications
Des réalisations déjà adoptées par les industriels

La robotique souple transforme radicalement le design des robots et ouvre un nouveau champ d’applications aussi vaste que celui de la robotique traditionnelle. Les préhenseurs déformables, qui remplacent les pinces robotiques conventionnelles, offrent une plus grande surface de contact, limitant ainsi la concentration d’effort sur la pièce que l’on souhaite saisir.


La technique du "particle jamming", ou changement de densité de particules, est utilisée pour solidifier
localement certaines parties du robot. Utilisée ici en tant que préhenseur, la forme épouse les contours
de l'objet, puis se densifie pour le saisir.


Ils peuvent également attraper des objets de différentes formes sans recourir à un système de vision ou de décision complexe. Parmi ce type de robots, citons le Versaball d’Empire Robotics, un préhenseur à rigidité variable, conçu à partir du principe de densité des particules (« particle jamming »), ou encore le préhenseur à doigts déformables de Soft Robotics développé pour l’industrie agroalimentaire.

Il existe également des robots capables de s’auto-déployer et de se faufiler dans des environnements confinés, pouvant notamment être utilisés dans le cadre d’opérations d’inspection ou de maintenance de sites sensibles. C’est le cas des bras gonflables mis au point par Warein en France. Bien que reposant sur un principe articulaire, ils sont fabriqués au moyen d’un textile souple et peuvent être gonflés afin de prendre une certaine forme. Ces robots ont été conçus pour explorer des environnements complexes ou des milieux relativement hostiles comme les zones sous-marines. Le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a développé un robot souple pouvant se déplacer dans l’eau comme un poisson.

Le principe du textile gonflable est aussi utilisé par Roam Robotics, une start-up implantée à San Francisco, pour la conception d’exosquelettes d’assistance au geste. Ceux-ci se veulent beaucoup plus discrets que les exosquelettes rigides, afin d’être mieux acceptés par leurs utilisateurs. Les Anglo-Saxons ont d’ailleurs inventé le terme de « wearable robotics » pour définir ce type de robotique « prêt-à-porter », souvent associée aux vêtements.

Enfin, parmi les nombreux domaines d’application envisagés, il en est un qui s’avère particulièrement intéressant : la robotique chirurgicale. Déployer dans le corps humain un robot souple capable de se faufiler et se conformer à un environnement complexe, sans exercer de forces de contact importantes sur les tissus anatomiques du patient, offre en effet un immense avantage. Plusieurs sociétés se sont positionnées sur ce marché encore balbutiant, comme Hansen Medical et Robocath, qui commercialisent des cathéters robotisés, ainsi que Medrobotics, qui a imaginé un endoscope robotisé flexible.

3. Inspiration
Les idées sont dans la nature

Pour concevoir ces robots déformables, composés de matériaux souples proches des matières organiques, ingénieurs et chercheurs puisent dans la nature. La trompe de l’éléphant a servi de modèle à l’entreprise allemande Festo pour la mise au point de son assistant de manipulation bionique, destiné à collaborer avec l’homme. Ce bras robotisé est une structure creuse, construite par fabrication additive et actionnée avec de l’air comprimé pour déformer les cavités. Des chercheurs de l’université de Clemson, aux états-Unis, pionniers dans le[…]

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