Un robot éléphant conçu avec une méthode d'impression 3D bioinspirée

Le sprint puissant d’un guépard, le glissement doux d’un serpent ou la préhension habile d’un être humain: chaque mouvement est rendu possible par l’interaction harmonieuse entre les tissus mous et rigides. Les muscles, les tendons, les ligaments et les os travaillent ensemble pour fournir l’énergie, la précision et l’amplitude nécessaires pour effectuer les mouvements complexes observés dans le règne animal.

Il est extrêmement difficile de reproduire cette diversité musculo-squelettique en robotique. Jusqu’à aujourd’hui, l’impression 3D avec plusieurs matériaux était un moyen de créer des robots souples et rigides. Bien que cette approche puisse imiter la diversité des tissus biologiques, elle signifie que des propriétés clés telles que la rigidité ou la résistance à la charge ne peuvent pas être maîtrisées en permanence dans une structure robotique.

Au Laboratoire de conception et de fabrication de robots informatiques (CREATE) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL, l’équipe de Josie Hughes a développé une structure lattice – ou une structure «en treillis» – innovante qui combine la diversité des tissus biologiques avec la commande et la précision robotisées. Le treillis, fabriqué à partir d'une simple mousse, est composé d’unités individuelles (cellules) qui peuvent être programmées pour avoir différentes formes et positions. Ces cellules peuvent prendre plus d’un million de configurations différentes et même être combinées pour produire des variations géométriques infinies.

Notre méthode offre une solution évolutive pour concevoir des robots adaptable et d’une légèreté inégalée.

«Nous avons utilisé notre technique de lattice programmable pour créer un robot éléphant d’inspiration musculo-squelettique doté d’une trompe souple qui peut se tordre, se plier et tourner, ainsi que d’articulations plus rigides de la hanche, du genou et de la patte», explique Qinghua Guan, chercheur postdoctoral. «Cela montre que notre méthode offre une solution évolutive pour concevoir des robots adaptable et d’une légèreté inégalée.»

La recherche a récemment été publiée dans Science Advances.

Deux dimensions de programmation, des variations géométriques infinies

Le treillis programmable de l’équipe peut être imprimé à l’aide de deux principaux types de cellules de géométries différentes: la cellule cubique centrée sur le corps et le X-cube. Lorsque chaque type de cellule est utilisé pour imprimer en 3D un «tissu» robotisé, le treillis obtenu présente une rigidité, une déformation et des propriétés de charge différentes. Mais la méthode du Laboratoire CREATE permet également d’imprimer des treillis constitués de cellules hybrides dont la forme se situe n’importe où sur le spectre entre la cellule cubique centrée sur le corps et le X-cube.

«Cette approche permet le mélange spatial continu des profils de rigidité et une gamme infinie de cellules unitaires mélangées. Elle est particulièrement adaptée pour reproduire la structure d’organes musculaires comme la trompe de l’éléphant», indique le doctorant Benhui Dai.

En plus de moduler la forme de chaque cellule, les scientifiques peuvent également programmer leur position dans le treillis. Cette deuxième dimension de programmation leur permet de faire pivoter et de déplacer chaque cellule le long de son axe. Les cellules peuvent même être superposées les unes aux autres pour créer des combinaisons de cellules entièrement nouvelles, donnant au treillis obtenu un ensemble encore plus vaste de propriétés mécaniques. Afin d’avoir une idée de l’ampleur des variations potentielles, un cube en treillis avec quatre cellules superposées peut fournir environ 4 millions de configurations possibles, avec plus de 75 millions de configurations pour cinq cellules.

Étanche et compatible avec des capteurs

Pour ce modèle robotique d’éléphant, cette double capacité de programmation a permis la fabrication de plusieurs types de tissus différents avec des amplitudes de mouvement uniques, y compris une articulation plane glissante (que l’on trouve dans les petits os de la patte), une articulation uniaxiale fléchissante (que l’on trouve dans le genou) et une articulation biaxiale fléchissante bidirectionnelle (que l’on trouve dans les orteils). L’équipe a même pu reproduire le mouvement complexe de la trompe musclée de l’éléphant en concevant des sections de treillis distinctes dédiées aux mouvements de torsion, de flexion et de rotation, tout en maintenant des transitions fluides et continues entre elles.

Josie Hughes explique qu’en plus de modifier la mousse ou d’incorporer de nouvelles formes de cellules, la structure unique de la technologie de treillis en mousse offre de nombreuses possibilités intéressantes pour l’avenir de la recherche en robotique. «Tout comme le nid d’abeilles, le rapport résistance/poids du treillis peut être très élevé, ce qui permet de créer des robots ultralégers et performants. La structure en mousse ouverte est bien adaptée au mouvement des fluides et pourrait même intégrer d’autres matériaux, tels que des capteurs, pour rendre la technologie plus intelligente.»