Faire progresser la robotique grâce à la suction multi‑échelle

Les robots et l’étude de la robotique sont un domaine en constante évolution qui continue d’explorer de nouvelles voies pour rendre nos processus plus efficaces et optimisés. Ces efforts et explorations sont souvent inspirés par la nature et le règne animal qui nous entourent. Par exemple, des scientifiques de l’Université de Bristol ont développé une ventouse robotique avec des capacités de succion super adaptatives similaires aux ventouses biologiques d’une pieuvre. 

Mécanisme de succion inspiré par la pieuvre dans les robots

Tout a commencé avec le Bristol Robotics Laboratory qui a étudié la structure des ventouses biologiques d’une pieuvre, qui présentent des niveaux très élevés de capacité de succion et peuvent s’ancrer à n’importe quel rocher de la manière la plus optimisée possible. Cette recherche a conduit à la création d’une structure souple multicouche et d’un système fluidique artificiel capable de se comporter comme la musculature et les structures muqueuses d’une pieuvre.

En expliquant l’accomplissement le plus important de cette recherche, Tianqi Yue, l’auteur principal de l’article, a déclaré ce qui suit, « Le développement le plus important est que nous avons démontré avec succès l’efficacité de la combinaison de la conformation mécanique – l’utilisation de matériaux souples pour épouser la forme de la surface, et du joint liquide – la diffusion d’eau sur la surface de contact pour améliorer l’adaptabilité de la succion sur des surfaces complexes. Cela pourrait également être le secret derrière la capacité des organismes biologiques à obtenir une suction adaptative. »

Le développement clé, donc, consiste à aller d’un cran au-dessus du mode actuel de succion artificielle et à entrer dans le domaine de la succion adaptative — la capacité de s’attacher aux surfaces les plus difficiles et complexes.Cela requérait un mécanisme multi‑suction, et la recherche a démontré comment l’obtenir. 

Recherche historique pour mieux comprendre le fonctionnement des ventouses de la pieuvre

Comprendre comment fonctionne la succion chez les pieuvres est depuis longtemps un domaine d’intérêt pour la communauté scientifique. Les chercheurs savaient que les pieuvres pouvaient déplacer leurs ventouses indépendamment et saisir des objets quand cela était nécessaire. 

Une étude réalisée par des chercheurs à Livourne examinait les pieuvres il y a plus d’une décennie et a découvert que les côtés et les bords de leurs ventouses étaient construits de manière unique. Leurs ventouses possédaient de minuscules rainures concentriques, ce qui les aidait à former un joint solide sur toute surface rugueuse sous l’eau. 

Des rainures similaires pouvaient également être observées dans la partie supérieure, entraînant un joint efficace et solide tout en étant à basse pression. 

En approfondissant ce phénomène de basse pression, les chercheurs ont obtenu davantage d’informations sur les ventouses. Ils ont découvert que, tandis que les côtés et les bords des ventouses étaient souples, le dessus était beaucoup plus rigide. Cette moindre élasticité, très probablement, favorisait la génération locale de basse pression, ce qui rendait l’adhérence supérieure, robuste et efficace. 

Depuis cette découverte, il y a eu des discussions sur la reproduction des mécanismes de succion de la pieuvre dans les robots. Aujourd’hui, nous pouvons voir les efforts porter leurs fruits. 

Mécanisme multi‑suction et comment il a été percé !

La recherche a proposé que le mécanisme multi‑suction inspiré de la pieuvre puisse être reproduit  grâce à une combinaison organique de conformation mécanique et de joint d’eau régulé. Les matériaux souples multicouches déployés par la solution robotique ont d’abord généré une conformation mécanique rugueuse avec le substrat, ce qui a finalement réduit les ouvertures de fuite à l’échelle du micromètre. Ces ouvertures de taille micrométrique ont ensuite été scellées par une sécrétion d’eau régulée provenant d’un système fluidique artificiel. 

Les implications futures de cette recherche

En soulignant ses domaines d’application potentiels, les chercheurs ont noté que ce développement pourrait ouvrir la voie à des pinces robotiques capables de manipuler une variété de surfaces sèches complexes. Ils ont souligné l’importance de ce mécanisme de succion adaptatif multi‑échelle dans le développement de stratégies de succion plus efficaces et uniques, ce qui pourrait conduire à une gamme complète de mécanismes d’adhésion souples et polyvalents. 
En soulignant l’amélioration que cette solution apporte par rapport aux solutions existantes, Tianqi Yue a déclaré :

« Les solutions industrielles actuelles utilisent des pompes à air en permanence pour générer activement la succion, cependant, elles sont bruyantes et gaspillent de l’énergie. »

La solution actuelle n’a pas besoin de pompe, elle est donc supérieure. Et comme le prévoient ses développeurs, la solution actuelle conduirait à des pinces robotiques de nouvelle génération capables de saisir efficacement divers objets irréguliers. L’équipe prévoit elle-même une ventouse intelligente avec des capteurs intégrés qui réguleraient habilement le comportement de la ventouse.
Bien que cette recherche et la solution qu’elle propose constituent indéniablement une percée, la communauté scientifique et de la robotique a toujours été inspirée par les pieuvres. 

La créature étonnante qu’est la pieuvre

Le patrimoine génétique d’une pieuvre est si unique qu’il diffère de manière significative de presque toute autre créature sur cette planète. Une étude ADN sur les pieuvres a révélé qu’elles possèdent environ 33 000 gènes, soit environ 10 000 de plus qu’un humain. Contrairement aux humains et à de nombreux autres animaux qui peuvent améliorer leur code génétique, les pieuvres ont la capacité étonnante d’éditer leur propre ARN. 

Il y avait également certaines similitudes avec les humains. Et ces similitudes les ont aidées à devenir plus intelligentes comme les humains. 

Par exemple, les pieuvres possèdent un ensemble de gènes similaires à ceux des humains qui contribuent à un réseau neuronal dans leur cerveau. Ce réseau neuronal les rend adaptables à des circonstances variées et apprenants rapides. De plus, leur capacité à éditer leurs ARN renforce leur adaptabilité, leur permettant de résister au froid extrême des profondeurs océaniques. 

Comme on peut le voir, les pieuvres ont un cerveau volumineux. Et, à l’instar des humains, elles possèdent un système circulatoire fermé, des yeux protégés par l’iris, une rétine et un cristallin. 

Les pieuvres possèdent également des capacités de camouflage de premier ordre. Maintenant que leur code génétique a été décodé, il sera plus facile pour les scientifiques de comprendre comment elles y parviennent. Elles changent la couleur de leur peau en millisecondes, une capacité dont les neuroscientifiques, les ingénieurs textiles et les ingénieurs en structures peuvent bénéficier. 

L’esprit d’une pieuvre

L’éclat physiologique d’une pieuvre, en particulier son grand cerveau, a motivé les scientifiques à étudier plus profondément ses processus cognitifs. 
En 2016, Peter Godfrey‑Smith, professeur distingué de philosophie au Graduate Center, City University of New York, et professeur d’histoire et de philosophie des sciences à l’Université de Sydney en Australie, a écrit un livre intitulé ‘Other Minds: The Octopus, the Sea and the Deep Origins of Consciousness.‘ Dans celui‑ci, il a écrit :

« Les pieuvres et leurs proches (seiches et calmars) représentent une île de complexité mentale dans la mer des animaux invertébrés. Depuis mes premières rencontres avec ces créatures il y a une dizaine d’années, j’ai été fasciné par le puissant sentiment d’engagement qui est possible lorsqu’on interagit avec elles. »

Dans le livre, le professeur Godfrey‑Smith a souligné qu’une pieuvre commune possède environ 500 millions de neurones dans son corps. Bien que cela soit bien moins que chez les humains — près de 100 milliards — les pieuvres sont assez intelligentes en ce sens qu’elles peuvent naviguer dans des labyrinthes simples et utiliser efficacement des indices visuels pour distinguer deux environnements différents mais familiers et choisir le meilleur chemin. 
C’est le mélange d’intelligence et d’unicité physiologique qui fait que les pieuvres se démarquent. En essence, le domaine de la robotique a toujours cherché à atteindre cet état où des instruments intelligents accompliraient des tâches complexes. Il n’est donc pas surprenant que les étudiants en robotique explorent constamment cette créature étonnante. En plus des chercheurs institutionnels, plusieurs entreprises bien connues sont actives dans ce domaine. 

#1. ABB

Une entreprise qui a toujours été intéressée par l’imitation des capacités de la pieuvre dans ses produits était ABB. En 2018, ABB Technological Ventures, la branche d’investissement en capital‑risque stratégique d’ABB, a conclu un partenariat avec Soft Robotics, une spin‑off du Whitesides Group. 
https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=0-2B1Vn75Qg&embeds_referring_euri=https%3A%2F%2Frodinanews.co.uk%2F&feature=emb_imp_woyt

Inspiré par la fonctionnalité des tentacules d’une pieuvre, Soft Robotics a développé des actionneurs robotiques souples à partir de polymères qui fonctionnent sans besoin de capteurs ou de dispositifs électromécaniques. L’entreprise a intégré la puissance de calcul directement dans la pince elle‑même et a développé un mélange propriétaire de matériaux avec des canaux microfluidiques qui imitent les tissus souples de la main humaine. 

Les développements récents d’intégration de la succion multi‑échelle dans la robotique avancée peuvent améliorer l’efficacité et la performance de ces technologies. 

Les pieuvres, connues pour leur intelligence supérieure et leurs structures oculaires sophistiquées qui ressemblent à celles des humains, ont inspiré des développements significatifs en robotique. Cette année, ABB a acquis Sevensense, une société technologique suisse spécialisée dans l’amélioration de la mobilité des robots industriels en les dotant de capacités visuelles et cognitives.

Au cours de l’exercice financier 2023, le groupe ABB a déclaré des revenus de 32,2 milliards de dollars US. L’entreprise a également réalisé un investissement important de 1,3 milliard de dollars US en recherche et développement. Par ailleurs, sa marge EBITA opérationnelle était proche de 17 %. 

#2. Festo

Dans un autre exemple, où une entreprise leader en robotique a déjà manifesté son intérêt et pourrait exploiter davantage la succion multi‑échelle, nous examinons l’entreprise de robotique allemande le robot de Festo inspiré d’une pieuvre. 
https://www.youtube.com/watch?v=WeEJrJNpvP0

Initialement nommé OctopusGripper, cet appareil robotique pouvait saisir, tenir et déposer des objets en utilisant une combinaison de ventouses et d’air. Il a depuis été rebaptisé Tentacle Gripper. L’entreprise décrit ce préhenseur bionique comme une structure en silicone souple qui peut être contrôlée pneumatiquement. Lorsque l’air comprimé est fourni, le préhenseur peut se courber vers l’intérieur, lui permettant d’envelopper les objets de manière sécurisée. 

Structurellement, le préhenseur possède deux rangées de ventouses attachées à l’intérieur des tentacules en silicone. De petites ventouses sont placées à la pointe du préhenseur, procurant un effet passif, tandis que des ventouses plus grandes, alimentées par un vide, aident l’objet à adhérer fermement au préhenseur. 

Festo a testé le robot sur deux robots légers pneumatiques également développés dans le Bionic Learning Network : le BionicMotionRobot et le BionicCobot. En raison de leur nature cinématique, ces deux robots étaient flexibles et pouvaient être rigidifiés de manière variable de façon infinie. 

Puisque la tentacule artificielle a été développée à partir d’un matériau souple, elle pouvait saisir doucement et délicatement. L’entreprise a affirmé que la solution possède un grand potentiel pour les lieux de travail collaboratifs du futur. 

En termes de chiffre d’affaires, l’exercice 2023 a été une année de consolidation pour l’entreprise. Selon un communiqué de presse de Festo, son chiffre d’affaires enregistré était légèrement inférieur à celui de l’année précédente (—4,3 % à environ 3,65 milliards d’euros). 

Indépendamment de la légère baisse de chiffre d’affaires, l’entreprise a affirmé avoir continué à investir massivement dans la recherche et le développement ainsi que dans l’expansion de l’approvisionnement du marché régional. Plus précisément, l’entreprise a investi 7,7 % de son chiffre d’affaires en recherche et développement en 2023. 

Sur la robotique s’inspirant de la nature et du règne animal

Aujourd’hui, nous avons discuté d’un exemple précis de la robotique s’inspirant des ventouses d’une pieuvre. Cependant, vu sous un angle plus large, elle peut s’inspirer de l’ensemble du monde naturel qui nous entoure. Et de multiples initiatives de robotique bio‑inspirée sont déjà en action dans le domaine public. 

Par exemple, en janvier 2024, une recherche a été publiée présentant un robot autonome en croissance inspiré des stratégies adaptatives comportementales des plantes grimpantes pour naviguer dans des environnements non structurés. Ces robots pouvaient imiter les pousses apicales des plantes grimpantes pour détecter et coordonner une croissance adaptative additive grâce à un mécanisme de fabrication additive intégré et une pointe sensorisée. 

Des recherches importantes ont également eu lieu dans le domaine des matériaux compatibles avec la fabrication de robots souples. Il y a quelques années, une équipe de l’Université du Minnesota Twin Cities a développé un processus inspiré des plantes pour favoriser la croissance de matériaux synthétiques. 

La solution pourrait aider les chercheurs à fabriquer des robots souples améliorés capables de naviguer sur des terrains complexes, même à l’intérieur du corps humain. Selon Matthew Hausladen, premier auteur de l’article, les chercheurs étaient réellement inspirés par la façon dont les plantes et les champignons croissent. Les chercheurs ont déclaré :

« Nous (l’équipe de chercheurs) avons repris l’idée que les plantes et les champignons ajoutent du matériau à l’extrémité de leurs corps, soit à leurs racines, soit à leurs nouvelles pousses, et nous l’avons traduite en un système d’ingénierie. »

Le monde naturel a connu infiniment plus de changements et de transformations que nous ne pouvons imaginer, les animaux survivant et s’adaptant sur des millénaires. Nous devons étudier leurs incroyables techniques d’adaptation méticuleusement et les observer en détail. Tenter de les reproduire dans leur véritable esprit nous aiderait toujours à accomplir bien plus que ce que nous pourrions imaginer dans les domaines de la science et de la technologie. 

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