Des robots biohybrides allient résistance et flexibilité

Alors que de nombreux spécialistes en robotique puisent aujourd’hui leur inspiration dans la nature, les robots bio-inspirés sont généralement fabriqués à partir de matériaux non biologiques, comme le métal, le plastique et les composites. Mais un nouveau manipulateur robotique expérimental du Laboratoire de conception et de fabrication de robots informatiques (CREATE) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL inverse cette tendance: il intègre directement des carapaces de crustacés dans sa conception.

Bien que cela puisse paraître inhabituel, Josie Hughes, responsable du laboratoire CREATE, explique que la combinaison d’éléments biologiques avec des composants synthétiques présente un potentiel important non seulement pour améliorer la robotique, mais aussi pour soutenir des systèmes technologiques durables.

«Les exosquelettes associent des coquilles minéralisées à des membranes articulaires, offrant un équilibre de rigidité et de flexibilité qui permet à leurs segments de bouger indépendamment. Ces caractéristiques permettent aux crustacés d’effectuer des mouvements rapides et puissants dans l’eau, mais elles peuvent également être très utiles pour la robotique, en plus d’être recyclables et adaptables à d’autres tâches.»

Dans un article publié dans Advanced Science, Josie Hughes et son équipe démontrent trois applications robotiques en renforçant et en augmentant les exosquelettes d’abdomen de langoustines avec des composants synthétiques: un manipulateur capable de manier des objets pesant jusqu’à 500 g, des pinces capables de plier et de saisir divers objets et un robot nageur.

Concevoir, exploiter, recycler, répéter

Pour son étude, le laboratoire CREATE a décidé d’associer la robustesse structurelle et la flexibilité des exosquelettes de langoustines au contrôle précis et à la longévité des composants synthétiques.

Pour ce faire, l’équipe a incorporé un élastomère à l’intérieur de l’exosquelette pour contrôler chacun de ses segments, puis l’a monté sur une base motorisée pour moduler sa réponse à la rigidité (extension et flexion). Enfin, elle a recouvert l’exosquelette d’une couche de silicone pour le renforcer et prolonger sa durée de vie.

Lorsqu’il est monté sur la base motorisée, le dispositif peut être utilisé pour déplacer un objet pesant jusqu’à 500 g vers une zone cible. Lorsqu’ils sont montés comme une pince, deux exosquelettes peuvent parvenir à saisir une variété d’objets de taille et de formes allant d’un surligneur à une tomate. Le système robotisé peut même être utilisé pour propulser un robot nageur équipé de deux «nageoires» exosquelettiques battantes à des vitesses allant jusqu’à 11 centimètres par seconde.

Après utilisation, l’exosquelette et sa base robotisée peuvent être séparés et la plupart des composants synthétiques peuvent être réutilisés. «À notre connaissance, nous sommes les premiers à proposer une preuve de concept pour l’intégration des déchets alimentaires dans un système robotisé», déclare Sareum Kim, chercheuse au laboratoire CREATE et principale auteure.

Une des limites de cette approche réside dans la variation naturelle des structures biologiques; par exemple, la forme unique de chaque queue de langoustine signifie que la pince à deux doigts se plie légèrement différemment de chaque côté. Ce défi nécessitera le développement de mécanismes d’augmentation synthétiques plus avancés, comme des contrôleurs réglables, estiment les scientifiques. Avec de telles améliorations, ils voient un potentiel pour de futurs systèmes intégrant des éléments structurels d’origine biologique, par exemple dans les implants biomédicaux ou les plateformes de surveillance biosystémiques.

«Bien que la nature ne garantisse pas forcément la forme optimale, elle surpasse tout de même de nombreux systèmes artificiels et fournit des informations précieuses pour concevoir des machines fonctionnelles basées sur des principes esthétiques», résume Josie Hughes.