L’impression 3D peut rendre la robotique plus sûre grâce à la biomimétique

Une étude publiée dans Advanced Intelligent Systems ce mois-ci présente une nouvelle forme d’actionneur robotique qui utilise la biomimétique pour créer un mouvement similaire à celui de vos muscles. Ces actionneurs souples permettent aux ingénieurs de fabriquer des dispositifs flexibles capables d’accomplir des tâches uniques telles que plier ou transformer des formes. Voici ce que vous devez savoir.

Robotique souple

Les robots souples ou « non conformes » constituent un domaine en pleine expansion qui possède un potentiel illimité. Ces dispositifs peuvent se déplacer et se plier pour s’insérer dans des crevasses étroites, contourner des coins et d’autres scénarios où un dispositif rigide échouerait. Ainsi, le marché de la robotique souple est en hausse, les analystes prévoyant un TCAC de 55,4 % jusqu’en 2029.

Problèmes avec les actionneurs traditionnels

Un facteur qui continue de limiter la croissance du secteur de la robotique souple est la sélection actuelle d’actionneurs. Chaque actionneur ajoute un vecteur de mouvement supplémentaire à l’unité. Cependant, ces dispositifs créent des points durs dans les structures robotiques non conformes. Ces points durs empêchent une véritable liberté de mouvement.
De plus, un autre actionneur est nécessaire pour chaque gamme de mouvements. Ainsi, ils peuvent augmenter le poids et le coût de ces dispositifs. Les robots plus lourds consomment davantage d’énergie, ce qui les rend moins utiles, moins efficaces et moins productifs.

Utiliser la biomimétique pour créer un meilleur actionneur

The étude explore une nouvelle forme d’actionneur souple qui ressemble davantage aux muscles humains en s’étirant et en se contractant simultanément. Cette combinaison génère plus de force et permet à votre corps de transférer cette force plus efficacement. Jusqu’à présent, les ingénieurs en robotique se concentraient principalement sur des actionneurs capables de s’étendre et de se contracter, en accordant peu d’attention à leur raideur pendant le processus.

Source – Systèmes Intelligents Avancés

Chercheurs

Des chercheurs de Northwestern et de l’École d’ingénierie McCormick se sont réunis pour explorer les possibilités d’un nouveau type d’actionneur biomimétique. L’étude a été dirigée par Taekyoung Kim. Il a été aidé par Pranav Karthik, Ryan Truby et le professeur junior de science des matériaux et d’ingénierie mécanique à l’École d’ingénierie McCormick, Donald Brewer. Ensemble, cette équipe innovante a créé un nouveau processus de fabrication et des prototypes fonctionnels et a mené des recherches approfondies sur leur nouvel actionneur biomimétique.

Un nouveau type d’actionneur

La première étape de l’équipe a été d’imprimer en 3D le corps de leur unité. Les chercheurs devaient trouver une structure capable de se plier et de se tordre tout en supportant la pression lorsque nécessaire. Plus précisément, le design comporte des soufflets qui se déforment automatiquement par flambage torsionnel à des couples croissants. Cette manœuvre crée une forme hélicoïdale qui peut transférer la charge torsionnelle efficacement.

Meilleur matériau pour le travail

Ils ont rapidement compris que les matériaux d’actionneur habituels pour l’impression 3D ne seraient pas suffisamment flexibles pour accomplir la tâche. Après de longues délibérations, ils ont décidé d’utiliser du polyuréthane thermoplastique pour leur dispositif. Ce matériau se trouve dans de nombreux objets que vous utilisez quotidiennement. C’est ce matériau caoutchouteux que votre coque de téléphone portable et d’autres accessoires utilisent pour rester protégés. Notamment, ce matériau est extensible et peut supporter un couple torsionnel si nécessaire.

Moteur unique

L’un des changements les plus importants apportés aux actionneurs traditionnels par les chercheurs a été d’éliminer le besoin de plusieurs moteurs. Leur dispositif peut former une multitude de formes et se diriger dans plusieurs directions simplement en faisant tourner le moteur unique, ce qui fait que le dispositif s’étend et se contracte.

Mouvements uniques

Le design à moteur unique offre à ces robots une flexibilité maximale. Il peut s’étendre et se tordre pour répondre aux besoins de son environnement et à ses objectifs. De plus, le design à moteur unique réduit les coûts et peut simplifier la conception des futurs dispositifs.

Robot rampante

Le premier dispositif créé par l’équipe était un robot rampant de 26 centimètres de long. Cette unité peut s’étendre et se plier en fonction du couple appliqué par le servo. Le robot est capable de se déplacer comme un ver en créant un mouvement de traction qui lui permet de naviguer dans des environnements complexes à 32 centimètres par minute.

L’équipe a testé son robot rampant dans une vidéo publique. On peut voir l’unité traverser un tuyau complexe qui oblige le robot à effectuer des virages serrés pour atteindre la liberté. Le dispositif a facilement pu parcourir les courbes sinueuses étroites avec succès.

Les résultats du test du robot rampant sont positifs. Le robot est capable d’une allongement de 45 % lui permettant de devenir long et fin lorsque nécessaire. De plus, l’équipe a noté que l’unité possède une force maximale de poussée bloquée d’environ 8 N.

Biceps artificiel

Le prototype suivant présenté par l’équipe était un biceps robotique. Ce dispositif intègre une cellule de charge à 6 axes, un guide linéaire et un servo unique pour générer un couple et un mouvement similaires à ceux d’un biceps humain.

Le dispositif est fabriqué avec le même matériau caoutchouteux que l’arbre souple. Ce design offre des réponses non linéaires et viscoélastiques. Ces actions entraînent une réponse d’hystérésis force-déplacement, permettant au dispositif d’enrouler des objets comme un bras humain.

Les ingénieurs ont testé leur biceps robotique pour évaluer ses capacités. L’unité a soulevé avec succès un poids de 500 g pendant 5 000 fois sans aucune défaillance. Ces résultats démontrent la répétabilité et l’efficacité de la nouvelle approche des mouvements robotiques.

Test

La phase de test a fourni des retours précieux aux chercheurs qui chercheront à améliorer leurs futures conceptions en utilisant ces données. Les ingénieurs étaient désireux de capturer des informations essentielles, notamment le couple de l’actionneur, la pression de poussée et de traction, la résistance à la traction et d’autres tests de contrainte vitaux pouvant aider à déterminer les capacités maximales de la nouvelle configuration.

Avantages

L’étude des chercheurs pourrait avoir des effets retentissants sur le marché. Le domaine de la robotique souple continue de s’étendre et, à mesure que davantage de ces dispositifs entrent en production, leurs avantages deviennent plus évidents. Voici quelques-unes des façons dont cette recherche pourrait aider à propulser le marché de la robotique souple.

Rendre les robots plus sûrs

L’une des principales raisons de la volonté de créer des robots souples est qu’ils sont beaucoup plus sûrs à proximité. Plus les fabricants cherchent à intégrer la robotique dans leur main-d’œuvre, plus il deviendra courant que les humains et les robots travaillent côte à côte. Les robots souples constituent un compagnon de travail bien meilleur dans la plupart des scénarios pour de nombreuses raisons.

Tout d’abord, ils sont moins susceptibles de vous blesser si vous entrez en collision avec eux. Se heurter à un tuyau métallique est déjà douloureux. La douleur peut s’aggraver si le dispositif métallique se déplace et vous frappe. Les robots souples aideraient à éliminer les blessures mineures dues aux petites collisions.

Les robots souples peuvent fonctionner dans des environnements où les robots traditionnels seraient considérés comme trop dangereux à utiliser. Par exemple, ils pourraient aider à l’élevage du bétail à l’avenir. Pour l’instant, ces dispositifs sont mieux adaptés aux environnements centrés sur l’humain comparés aux robots durs traditionnels.

Faible coût

L’un des plus grands avantages de l’étude est l’économie réalisée. Créer des serveurs robotiques et des robots durs est une tâche coûteuse qui l’a limitée pendant des décennies aux grands fabricants haut de gamme. Les récentes percées ont aidé à niveler le terrain de jeu pour les petites entreprises.
Cette dernière avancée réduit encore les coûts. Selon la documentation des chercheurs, les prototypes de robots qu’ils ont utilisés ne coûtaient que 3 $ en matériaux, hors le servo. Cette alternative peu coûteuse ouvre la porte à davantage d’intégrations, car de nombreuses tâches pourraient être réalisées par des robots, mais les restrictions de coût ont limité leur utilisation jusqu’à présent. Bientôt, la robotique souple à faible coût pourrait être présente dans votre quotidien.

Utiliser des imprimantes 3D classiques.

Une autre percée a été l’introduction d’un actionneur biomimétique compatible avec les imprimantes 3D classiques. La capacité de fabriquer ces dispositifs à l’aide d’une imprimante 3D prête à l’emploi signifie que chacun peut intégrer les résultats de l’étude des chercheurs et créer de nouveaux designs robotiques souples et innovants.

Intégré

Les chercheurs sont fiers que leur nouvel actionneur puisse être intégré de manière transparente aux conceptions robotiques actuelles. Cette étape contribuera à favoriser l’adoption et à rationaliser l’innovation. Elle aide également les développeurs à obtenir des retours instantanés sur leurs recherches à mesure que davantage d’ingénieurs exploitent leur stratégie.

Leaders actuels du marché

Le marché de la robotique souple connaît une concurrence sérieuse parmi les principaux acteurs. Une étude récente a révélé que seulement 5 grands fabricants contrôlent 40 % du marché de la robotique souple. La même étude a constaté que l’Amérique du Nord mène la course en termes d’adoption. Parmi les principaux fabricants figurent Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories et Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne est une entreprise technologique en cybernétique qui cherche à fusionner l’IA, la robotique et les systèmes d’information pour créer un nouveau niveau d’efficacité et de capacités. L’entreprise est un pionnier du marché de la cybernétique et est reconnue comme l’un des principaux chercheurs et fabricants de dispositifs robotiques souples.
Cyberdyne a connu une croissance impressionnante. L’entreprise a vu son chiffre d’affaires augmenter de +52 % passant de 2,15 milliards ¥ à 3,29 milliards ¥ en une seule année. Une grande partie de cette croissance est attribuable aux projets réussis dans le secteur des équipements médicaux.

2. Soft Robotics

Soft Robotics est un autre acteur majeur du secteur. Cette entreprise se spécialise dans la fabrication automatisée et les tâches agricoles. Ses dispositifs intègrent des solutions d’inspection visuelle avancées et des algorithmes d’IA pour garantir que leurs appareils puissent sélectionner, trier et identifier les objets avec précision.
Soft Robotics présente une main à préhension souple qui exploite la vision 3D et l’IA pour accomplir des tâches complexes qui étaient auparavant possibles uniquement avec des humains. Ces dispositifs permettent aux producteurs de bénéficier de capacités de cueillette, de tri et d’emballage à grande vitesse. Notamment, Soft Robotics est un excellent exemple de la façon dont les robots souples peuvent améliorer la productivité.

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdings est un leader mondial de la technologie des exosquelettes. La technologie de l’entreprise remplit plusieurs fonctions couvrant à la fois le secteur de la santé et la fabrication. Elle propose actuellement une variété d’exosquelettes spécifiquement destinés à la rééducation, à la thérapie et à aider les personnes à mobilité réduite à se rétablir.
Ekso propose des exosquelettes pour le torse supérieur et le bas du corps. Ces dispositifs permettent à l’utilisateur de parcourir de plus longues distances, de soulever davantage et de supporter plus de contraintes sans fatigue. Le positionnement de l’entreprise et ses produits pionniers lui ont permis d’enregistrer d’importantes augmentations de revenus depuis 2022.

Entreprises qui pourraient bénéficier de l’actionneur biomimétique

De nombreuses entreprises pourraient exploiter l’étude des chercheurs et améliorer leurs offres actuelles. Ces sociétés sont déjà actives sur le marché et proposent des produits qui pourraient bénéficier de cette technologie en termes d’efficacité accrue, de frais généraux réduits ou d’offres améliorées.

ReWalk Robotics

ReWalk est un fournisseur de systèmes de marche bioniques. L’entreprise a aidé des milliers de personnes à retrouver leur mobilité grâce à son approche innovante et à son focus. ReWalk Robotics cherche à aider les paraplégiques à reprendre le contrôle de leur vie grâce à leurs produits uniques.

L’assistant de marche bionique ReWAlk comprend des sangles de jambe alimentées par servo, une batterie à dos et une télécommande montée au poignet. Ce dispositif peut être configuré pour se déplacer sur demande ou pour détecter automatiquement le mouvement. Dans ce mode, le système peut améliorer les actions du porteur avec un effort minimal.

Rewalk Robotics a une note de consensus de “acheter” en raison de son positionnement sur le marché. L’entreprise continue d’innover avec ses conceptions et produits uniques. L’introduction de technologies supplémentaires, telles que l’IA et les actionneurs biomimétiques, pourrait réduire considérablement les coûts de leurs unités à l’avenir.

RightHand Robotics

RightHand Robotics est un autre fabricant de robots souples. L’entreprise est située à Boston et propose une sélection de produits conçus pour offrir des solutions de prélèvement efficaces sur le marché. Elle cherche à permettre aux détaillants de mener un commerce en ligne rationalisé grâce à ses options de tri robotisé.
Notamment, RightHand Robotics a reçu de multiples distinctions pour ses efforts. L’entreprise a été désignée Entreprise de robotique de l’année lors des New England Venture Capital Association (NEVY) Awards pour son travail dans le domaine.

La biomimétique rendra la vie plus facile pour tous.

À l’avenir, les robots occuperont de nombreux postes supplémentaires. Les robots souples aideront à faire progresser cette intégration, car ces dispositifs sont mieux adaptés pour travailler aux côtés des humains que les unités traditionnelles. Pour l’instant, les recherches menées par ces ingénieurs pourraient faire passer les robots d’options rares à des solutions très abordables que tout le monde peut acquérir. Ainsi, il est judicieux de suivre ces développements au fur et à mesure qu’ils se déroulent.
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