Améliorer la robotique souple avec « énergie incarnée » ouvre de nouvelles possibilités

La robotique est un marché en forte croissance, prévu pour passer de 94.54 milliards de dollars en 2024 à plus de 372.59 milliards de dollars d’ici 2034. 

Les robots industriels sont actuellement à la tête de cette croissance. Aujourd’hui, plus de 3.4 million de robots industriels travaillent pour faciliter notre quotidien. Les entreprises industrielles prévoient également d’investir 25 % de leur capital dans l’automatisation industrielle au cours des cinq prochaines années.

Alors que la robotique continue de gagner en popularité, un sous‑domaine de la robotique attire également l’attention des chercheurs. Alors que la demande de robots augmente dans des applications au‑delà de l’automatisation industrielle, le sous‑domaine de la robotique souple suscite un intérêt croissant.

Ces robots reproduisent les mécanismes de locomotion de corps souples et flexibles présents dans la nature, tels que les serpents, les vers de terre, les anguilles, les pieuvres et d’autres.

La robotique souple s’inspire des structures biologiques de ces corps souples pour obtenir des mouvements fluides et complexes. Au lieu d’utiliser des composants durs et métalliques comme les robots traditionnels, les robots souples sont généralement fabriqués à partir de matériaux souples tels que le gel et le caoutchouc. Cela leur permet de s’adapter à des environnements complexes et d’interagir en toute sécurité avec les humains.

Pour leur actionnement, plusieurs méthodes sont utilisées, telles que les stimuli thermiques, les signaux électriques et la pressurisation d’air, entre autres. Les sources de leur activation se trouvent généralement à l’extérieur du corps du robot et contrôlent leurs mouvements.

Ces robots offrent les avantages de l’adaptabilité et d’une sécurité accrue. L’utilisation de matériaux flexibles et légers rend ces machines particulièrement adaptées à une interaction directe avec les humains, car elle réduit le risque de blessure. Cela les rend très bénéfiques dans des applications telles que les soins de santé et les technologies portables.

Disposer d’articulations flexibles et de préhenseurs souples permet à ces robots de se plier, se tordre et s’étirer facilement. La capacité d’exécuter des mouvements biologiques les rend utilisables pour des tâches qui ne sont pas sûres pour les humains ou qui nécessitent un haut degré de contrôle. Leur flexibilité structurelle et leur dextérité les rendent également aptes à manipuler des objets fragiles et à réaliser d’autres tâches délicates.

Mais bien sûr, les robots souples rencontrent également des défis tels qu’une force limitée, une faible précision, une faible durabilité, des difficultés de fabrication et de mise à l’échelle, ainsi que le besoin d’algorithmes avancés et de systèmes de détection étendus.

Cependant, étant donné que les capacités des robots souples correspondent étroitement à celles des organismes biologiques souples, ils constituent une perspective prometteuse dans divers domaines tels que les soins de santé, l’agriculture, la recherche et le sauvetage, ainsi que l’exploration spatiale.

Plusieurs robots souples prometteurs ont déjà été développés. Par exemple, le robot tentaculaire de Harvard, dont le préhenseur souple semblable à une méduse peut saisir délicatement des objets fragiles en imitant la mécanique des cheveux bouclés.

Dans le domaine de la santé, le K-FLEX du Korea Advanced Institute of Science and Technology peut réaliser des chirurgies endoscopiques sans cicatrices, et le cœur bionique du MIT peut aider les professionnels médicaux à étudier les maladies cardiovasculaires et à déterminer le meilleur traitement pour les patients.

Les robots souples sont également utilisés pour explorer les océans. Il y a quelques années, des chercheurs chinois ont présenté un robot souple auto‑alimenté capable d’atteindre le point le plus profond — la fosse des Mariannes. En ce qui concerne l’exploration spatiale, des robots souples fouisseurs parrainés par la NASA peuvent naviguer sur des terrains sablonneux et pourraient un jour être envoyés explorer les lunes de Jupiter.

À mesure que la recherche sur les robots souples progresse, on peut même s’attendre à ce qu’ils remplacent les robots rigides dans diverses applications. 

L’évolution des espèces de robots souples

Une nouvelle étude de Cornell Engineering a présenté un robot terrestre rampant sans fil avec un système d’alimentation modulaire intégré à travers son corps souple. 

Avant de créer ce robot ver, le laboratoire a construit un robot méduse en collaboration avec le Archer Group de Cornell Engineering. Les deux sont des descendants directs d’un robot souple aqueux qui a été présenté il y a six ans. 

Ainsi, en 2019, des chercheurs de l’Université Cornell ont présenté un article¹ paper intitulé « Electrolytic vascular systems for energy-dense robots ». Le système, qui imitait les batteries à flux redox, combinait les fonctions de transmission de force hydraulique, d’actionnement et de stockage d’énergie en une seule conception, augmentant la densité énergétique du robot pour permettre une autonomie pouvant atteindre 36 heures.

Pour cela, les chercheurs se sont inspirés d’un poisson-lion, qui utilise des nageoires en forme d’éventail ondulant pour glisser dans les environnements de récifs coralliens.

À l’époque, les chercheurs ont noté que « cette utilisation du stockage d’énergie électrochimique dans les fluides hydrauliques pourrait faciliter une densité énergétique accrue, l’autonomie, l’efficacité et la multifonctionnalité dans les conceptions futures de robots ».

Il y a quelques mois, un nouvel article², « L’utilisation multifonctionnelle d’une batterie aqueuse pour un robot méduse à haute capacité », a été publié. Cette fois, une RFB a été façonnée sous la forme d’une méduse, ce qui permet une utilisation multifonctionnelle de l’énergie.

Les méduses sont principalement constituées d’une substance appelée « mésoglée », qui sert de squelette interne. Ce matériau rend le corps des méduses élastique et aide à rétablir sa forme après qu’il se soit déformé à cause de la contraction musculaire. La mésoglée est composée de microfibrilles contenant de la fibrilline que la méduse utilise pour alimenter ses muscles en plus de lui permettre de se déplacer et de se nourrir.

Le robot était alimenté uniquement par des RFB avec une densité d’énergie volumétrique et surfacique accrue, ce qui a permis une longue durée de vie opérationnelle pour les véhicules sous-marins (UUV) composés principalement de liquide, qui est électrochimiquement dense en énergie.

Aujourd’hui, la recherche³ a encore évolué, à l’image de la vie terrestre, stimulée par le développement et la conception de batteries.

« C’est ainsi que la vie sur terre a évolué. Vous commencez avec le poisson, puis vous obtenez un organisme simple soutenu par le sol. Le ver est un organisme simple, mais il possède plus de degrés de liberté. »

Le même « sang robotique », c’est‑à‑dire le fluide hydraulique qui stockait l’énergie et alimentait les applications des robots précédents, soutient également la nouvelle espèce de robot. Cette fois, cependant, les chercheurs ont encore amélioré la conception pour atteindre une plus grande capacité de batterie et une densité de puissance supérieure.

La méduse, a noté Shepherd, possède une capacité bien supérieure à son poids. Cela a augmenté la durée pendant laquelle le robot poisson pouvait se déplacer, durée supérieure à celle du poisson réel. Maintenant, leur première version hors‑eau est le ver, qui bénéficie d’un soutien flottant sous l’eau et n’a pas besoin de squelette, ce qui signifie qu’il n’a pas besoin d’être rigide.

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Énergie incarnée alimentant les robots souples

À mesure que la demande d’une agilité accrue en robotique augmente, leur complexité augmentera également. Cela signifie une hausse des densités de capteurs et des degrés de liberté (DoF), qui correspondent au mouvement indépendant d’un objet.

En conséquence, la consommation d’énergie des robots devrait également augmenter, ce qui fait de la capacité énergétique un facteur important à prendre en compte.

C’est là que l’énergie incarnée entre en jeu. Il s’agit d’une stratégie de conception qui améliore le niveau système de densité énergétique grâce à l’utilisation multifonctionnelle de sources d’énergie intégrées. Cette approche intègre essentiellement les sources d’énergie dans le corps de la machine, ce qui réduit son coût et son poids.

Le robot ver modelar construit par le Organic Robotics Lab et leur méduse illustrent tous deux les avantages de cette « énergie incarnée ». 

En intégrant l’énergie stockée dans les batteries à une partie intégrante de la structure et de la mécanique du robot, les chercheurs ont pu obtenir de meilleurs résultats. L’étude a noté :

« Intégrer une source d’énergie dans des modules d’actionneur à tendon motorisé fournit une unité musculaire artificielle composable dans des robots capables d’un travail de longue durée et utile. »

Les deux robots sont équipés d’une batterie à flux redox (RFB), un type de système électrochimique qui stocke l’énergie fournie par deux composants chimiques dissous dans un liquide. 

Dans le cas du robot en forme de méduse, la RFB a été construite avec un tendon. Lorsque le tendon est tiré, il modifie la forme du dôme et pousse la créature vers le haut, puis la fait redescendre lorsque le dôme se relâche. 

Plus important encore, le robot méduse possède une paire de batteries redox : iodure de zinc (ZnI2) et bromure de zinc (ZnBr2). Le brome a été ajouté à l’iode dans l’une des batteries pour améliorer le transport des ions, ce qui a augmenté la capacité de la batterie et la densité de puissance. En conséquence, le robot méduse était plus rapide et plus agile, avec une durée de fonctionnement d’environ 90 minutes.

Aujourd’hui, pour éviter le problème d’accumulation de dendrites sur les substrats électriques des batteries, qui entrave leur charge et décharge, les chercheurs ont utilisé du graphène. L’application du graphène leur a permis d’ajuster davantage les plans cristallins et d’obtenir un dépôt de zinc plus uniforme. 

Le robot ver présente une conception compartimentée. Le corps du ver est constitué d’une série de pods interconnectés, chacun contenant un moteur et un actionneur à tendon permettant au ver de comprimer et d’étendre sa forme. Chaque pod contient également une pile de poches d’anolyte immergées dans un catholyte.

Un élément essentiel de la conception était l’utilisation d’une méthode d’adhérence à sec pour coller automatiquement les séparateurs Nafion au corps en copolymère silicone-uréthane du ver. Le séparateur maintient les anolytes et les catholytes séparés tout en permettant le déplacement de la charge entre eux, ce qui entraîne le mouvement des électrons à travers le moteur.

« Il existe de nombreux robots alimentés hydrauliquement, et nous sommes les premiers à utiliser le fluide hydraulique comme batterie, ce qui réduit le poids total du robot, car la batterie remplit deux fonctions, fournir l’énergie au système et fournir la force nécessaire à son déplacement. Ainsi, on peut avoir des choses comme un ver, où presque toute l’énergie provient de la batterie, ce qui lui permet de parcourir de longues distances. »

– Shepherd

Lors des tests du robot ver, les chercheurs ont constaté qu’il peut avancer lentement le long du sol ainsi que se déplacer verticalement dans un tuyau. Bien que le robot ver puisse suivre un trajet fermé et courbé et grimper, il est assez lent, bien qu’il reste plus rapide que les autres robots vers hydrauliques. Avec une seule charge, le ver parcourt 105 mètres en 35 heures.

Selon les chercheurs, le ver pourrait être utilisé pour explorer des environnements confinés tels que des passages longs et étroits et éventuellement effectuer des réparations. Quant à la méduse, son cas d’utilisation se trouve dans l’exploration océanique. 

Soutenu par l’Office of Naval Research et le programme Basic Energy Sciences du Department of Energy, cette recherche n’est que le début, les travaux futurs se concentreront sur une RFB entièrement liquide. L’étude a noté que la batterie polysulfure‑iodure, avec sa haute densité énergétique et son faible coût, montre particulièrement un fort potentiel pour les applications de robotique souple.

En fin de compte, l’équipe vise à construire des robots à énergie incarnée à haute capacité. Ces futurs robots disposeront également de squelettes et pourront même marcher, aboutissant à des robots ressemblant à des humains.

« Un organisme imparfait. Mais qui fonctionne assez bien. »

– Shepherd

Entreprises pertinentes

Examinons maintenant quelques entreprises cotées en bourse qui contribuent à faire progresser le domaine de la robotique. 

1. iRobot Corporation

Entreprise mondiale de robots grand public, iRobot conçoit, fabrique et vend des robots durables. Ses produits comprennent Roomba, Braava et Root. iRobot a vendu des dizaines de millions de ses robots dans le monde.

Avec une capitalisation boursière de 231 millions de dollars, les actions iRobot se négocient actuellement à 7,59 $, en baisse de 2,45 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -4,60, tandis que son ratio P/E (TTM) est de -1,64.

Plus récemment, l’entreprise a publié des résultats financiers préliminaires pour le quatrième trimestre 2024, prévoyant un chiffre d’affaires de 171 millions de dollars et une perte d’exploitation GAAP de 59 millions de dollars. Elle s’attend également à ce que sa trésorerie et ses équivalents de trésorerie à la fin de l’exercice 2024 s’élèvent à environ 134 millions de dollars.

Les résultats, a déclaré le PDG Gary Cohen, « reflètent des dépenses promotionnelles saisonnières supérieures aux prévisions pour stimuler les ventes avant nos lancements de nouveaux produits en 2025 ». Il a également indiqué qu’iRobot a « fondamentalement changé notre façon d’innover, de développer et de construire nos robots, » et que ses lancements de produits prévus « conçus pour enthousiasmer les consommateurs avec des robots riches en fonctionnalités et améliorer l’expérience produit grand public » sont en bonne voie pour être lancés cette année.

2. Teradyne

Fournisseur mondial d’équipements de test automatisés et de solutions robotiques, Teradyne opère à travers quatre segments axés respectivement sur les semi-conducteurs, les produits sans fil, les systèmes couvrant le stockage, l’aérospatiale et les circuits imprimés, ainsi que la robotique, qui comprend les bras robotiques, les robots mobiles autonomes et les logiciels avancés de contrôle robotique.

L’entreprise a déployé plus de 80 000 systèmes robotiques avancés dans le monde et a investi plus de 700 millions de dollars dans la robotique avancée et l’automatisation. Les robots MiR de Teradyne rationalisent le transport interne et la manutention des matériaux, tandis que ses cobots soutiennent une large gamme d’applications. Ses solutions d’automatisation permettent aux entreprises d’améliorer leur efficacité opérationnelle en intégrant la puissance des machines.

Avec une capitalisation boursière de 18,74 milliards de dollars, les actions Teradyne se négocient actuellement à 116 $, en baisse de 8,61 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de 3,32, tandis que son ratio P/E (TTM) est de 34,68. L’entreprise verse un rendement de dividende de 0,42 %.

Pour le quatrième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires de 753 millions de dollars, dont 98 millions proviennent de la robotique, le reste provenant du segment des semi-conducteurs. Son bénéfice net GAAP pour le trimestre s’est élevé à 146,3 millions de dollars, soit 0,90 $ par action diluée.

Le PDG Greg Smith a attribué cette croissance à une forte puissance de calcul IA et à la mémoire associée, tandis que les segments Mobile et Auto/Industrie ont dépassé les attentes. L’accélération des revenus est attendue pour cette année, Teradyne prévoyant de réaligner stratégiquement son activité Robotique afin d’améliorer l’expérience client et d’accroître l’efficacité opérationnelle.

3. Zimmer Biomet

Entreprise mondiale de technologies médicales, Zimmer Biomet (ZBH ) intervient dans les biologiques, la médecine du sport, les extrémités, les produits de traumatologie, les produits chirurgicaux, ainsi qu’une gamme de technologies robotiques qui utilisent les données, l’analyse de données et l’IA. 

Avec une capitalisation boursière de 22 milliards de dollars, les actions Zimmer Biomet se négocient actuellement à 110,10 $, en hausse de 4,72 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de 5,25, tandis que son ratio P/E (TTM) est de 21,07. L’entreprise verse un rendement de dividende de 0,87 %.

Pour le troisième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré des ventes nettes de 1,824 milliard de dollars, soit une hausse de 4 % par rapport à la même période de l’année précédente, tandis que son bénéfice net s’est élevé à 249,1 millions de dollars. Le bénéfice dilué par action pour le trimestre était de 1,23 $, tandis que le bénéfice dilué ajusté était de 1,74 $. Après cette « performance solide », le PDG Ivan Tornos a déclaré qu’ils continueraient à faire progresser leur « mission d’aider des millions de personnes à soulager la douleur et à améliorer leur qualité de vie ». 

Au cours de cette période, l’entreprise a acquis OrthoGrid Systems, une société de technologies médicales spécialisée dans les systèmes de guidage chirurgical pilotés par IA pour les remplacements totaux de la hanche. Elle s’apprête également à acquérir Paragon 28, une société de dispositifs médicaux, dans le cadre d’une opération de 1,1 milliard de dollars destinée au traitement des maladies du pied et de la cheville.

Conclusion

Avec la demande croissante d’automatisation et d’efficacité, la popularité de la robotique augmente également. Dans ce contexte de forte croissance, le sous‑domaine de la robotique souple connaît de nombreuses innovations, ouvrant de nouvelles applications dans les soins de santé, l’exploration et l’automatisation industrielle. 

L’évolution de la robotique souple — combinant l’adaptabilité inspirée des organismes vivants avec l’énergie incarnée — a le potentiel de surmonter enfin les limites historiques de durabilité et d’efficacité énergétique. Alors que les chercheurs, soutenus par des initiatives gouvernementales, continuent d’affiner la conception des robots et les sources d’énergie multifonctionnelles, ces machines deviennent progressivement une réalité, améliorant l’accessibilité, l’efficacité et la sécurité.

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