Mains comme un humain: La nouvelle fabrication additive aide la robotique souple à devenir réelle

Dans le paysage en évolution rapide de la robotique, une nouvelle frontière émerge, promettant de redéfinir notre compréhension du domaine: la robotique souple. Cette approche innovante progresse grâce aux techniques de fabrication additive de pointe.

Dans cet article, nous explorons le domaine de la robotique souple et examinons comment les récentes avancées en fabrication additive propulsent cette technologie vers l’avant.

Qu'est‑ce que la robotique souple?

La robotique souple tente d'introduire des technologies qui ressemblent davantage aux caractéristiques physiques des organismes vivants, remplaçant les mouvements rigides que nous associons aux robots. Considérée comme une forme de biomimétisme où les caractéristiques linéaires et rigides conventionnelles de la robotique laissent place à des modèles sophistiqués, la robotique souple imite la vie humaine, animale et végétale.

Les chercheurs estiment que le marché de la robotique souple deviendra une opportunité considérablement importante à l'avenir, sa taille passant de plus de 770 millions de dollars US en 2022 à près de 22 milliards de dollars US d'ici 2030. Cela représenterait une croissance phénoménale d'environ 75 % de TCAC.

Selon le Harvard Biodesign Lab, qui aide à comprendre la technologie de la robotique souple comme des actionneurs fluidiques possédant des matrices élastomères avec des matériaux flexibles intégrés tels que le tissu, le papier, les fibres et les particules, la robotique souple devrait devenir populaire grâce à sa légèreté, son coût abordable et sa facilité de personnalisation pour une application donnée.

Quelques applications de la robotique souple

Le Harvard Biodesign Lab estime qu'il y a aujourd'hui quatre millions de survivants d'AVC chroniques avec hémiparésie aux États‑Unis et six millions supplémentaires dans d'autres pays développés à l'échelle mondiale. Ces survivants perdent souvent les capacités motrices de leurs mains. La robotique souple pourrait les aider à relever ce défi en développant un dispositif de rééducation et d'assistance de la main, modulaire, sûr, portable, consommable et utilisable à domicile.

Aux États‑Unis, le risque à vie de développer une insuffisance cardiaque est d'environ 20%. En tirant parti de la technologie de la robotique souple, le laboratoire développe un simulateur cardiaque de laboratoire et un dispositif de Compression Cardiaque Directe (DCC) qui aideront à traiter l'insuffisance cardiaque.

Avec toutes ces applications bénéfiques et bien d'autres, la robotique souple peut jouer un rôle important dans la rééducation des patients et l'amélioration de la qualité de vie à l'échelle mondiale. Toute technologie qui fait progresser la robotique souple est donc une technologie positive. Nous discuterons aujourd'hui de certaines de ces techniques de fabrication.

Impression 3D ou technologie de fabrication additive dans la robotique souple

3D printing, also known as additive manufacturing, is about developing three-dimensional objects from a digital file. It is called additive manufacturing because of its inherent development process.

Dans le processus de fabrication additive, un objet est créé en déposant successivement des couches de matériau jusqu'à ce que la forme finale de l'objet souhaité soit obtenue.

Chacune de ces couches n'est rien d'autre qu'une coupe transversale finement découpée de l'objet souhaité. La fabrication additive diffère du style traditionnel de fabrication soustractive, où des parties de la forme et des dimensions désirées sont découpées d'un gros bloc de matériau de base.

L'impression 3D ou la fabrication additive implique généralement un modèle 3D, un logiciel 3D et une imprimante 3D. Le processus a déjà trouvé des applications dans la fabrication de produits de consommation, de produits industriels, de produits dentaires, de prothèses, de maquettes et modèles d'architecture à l'échelle, de fossiles reconstruits, de répliques d'artefacts anciens, de preuves reconstruites en psychologie légale, d'accessoires de cinéma, et bien plus encore.

Aujourd'hui, elle a trouvé son utilité dans le domaine plus sophistiqué de la robotique souple. ETH Zurich et une startup américaine, Inkbit, l'ont rendue possible conjointement.

Bien qu'Inkbit soit une spin‑off du MIT, l'Université des sciences et technologies de l'ETH Zurich remonte à 1855, “when the founders of modern‑day Switzerland created it as a center of innovation and knowledge.”

Cliquez ici pour tout savoir sur l'investissement dans l'impression 3D/la fabrication additive.

La technologie en détail

La percée

La percée réalisée par la recherche de l'ETH Zurich et d'Inkbit est qu'elle a élargi le champ des matériaux pouvant être utilisés en fabrication additive ou impression 3D. Alors qu'auparavant la technologie était limitée aux plastiques à durcissement rapide, elle convient désormais également aux plastiques à durcissement lent. Cette extension du champ offre de nombreux avantages.

Les avantages

• Les plastiques à durcissement lent possèdent des propriétés élastiques améliorées.
• Ils sont plus durables et robustes.
• Les plastiques à durcissement lent permettent d'imprimer en 3D des éléments robotiques complexes et plus durables.
• La technologie est compatible avec une variété de matériaux de haute qualité
• L'extension du champ facilite la combinaison de matériaux souples, élastiques et rigides.

Et enfin,

• Ils répondent aux exigences de création de structures délicates et de pièces avec cavités, selon les besoins.

L'application

Grâce aux plastiques à durcissement lent, il est devenu possible de fusionner les avantages de la robotique souple et de la fabrication additive et de créer une synergie qui bénéficiera à l'humanité pendant très longtemps.

Les chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi à concevoir une main robotique possédant toutes les qualités de la physiologie humaine, telles que les os, les ligaments et les tendons. Bien qu'elle soit composée de différents polymères, le produit final a pu être réalisé en une seule impression.

Selon les chercheurs, cela n'aurait pas été possible sans l'inclusion de polymères à durcissement lent. Selon Thomas Buchner, doctorant du groupe du professeur de robotique de l'ETH Zurich Robert Katzschmann et premier auteur de l'étude:

Nous utilisons désormais des polymères thiolène à durcissement lent. Ils possèdent d'excellentes propriétés élastiques et retrouvent leur état d'origine beaucoup plus rapidement après flexion que les polyacrylates.

L'inclusion de polymères thiolène a révolutionné la production de la main selon les principes de la robotique souple. Parce que la main robotique est aussi souple qu'une vraie main humaine, elle présente moins de risque de blessure et peut manipuler des objets fragiles plus efficacement.

Pour intégrer la robotique souple et la fabrication additive dans le même processus, les chercheurs ont dû apporter certaines modifications à la technologie d'impression 3D. Ils ont ajouté un scanner laser 3D à l'imprimante, capable de vérifier immédiatement chaque couche imprimée pour détecter d'éventuelles irrégularités de surface.

Les chercheurs ont également introduit un mécanisme de rétroaction pour compenser ces irrégularités. Ce mécanisme a permis d'apporter les ajustements nécessaires à chaque couche, en tenant compte de l'éventuelle inégalité de la couche précédente.

L'ETH Zurich a fait appel à Inkbit, la startup américaine, pour développer cette technologie d'impression.

Inkbit: la startup de technologie d'impression

Fondée en 2017 par Davide M. Marini, Javier Ramos et Wojciech Matusik, Inkbit est une startup de série B basée à Medford, Massachusetts, États‑Unis. L'objectif de l'entreprise est de créer une plateforme de fabrication additive de nouvelle génération combinant impression 3D et vision par machine. La société continue d'innover et de développer de nouvelles solutions dans le domaine de l'impression 3D. Par exemple, à la mi‑novembre de cette année, elle a démontré la fabrication en une seule impression de systèmes multifonctionnels complexes et de robots.

Une semaine plus tôt, l'entreprise avait présenté le TEPU 50A, un nouvel élastomère à dureté moyenne‑souple.

Il existe plusieurs autres acteurs dans ce domaine auxquels Inkbit s'adresse. Tous ensemble, ils tentent de faire progresser la robotique souple grâce à de nouvelles techniques de fabrication additive.

Entreprises disposant de techniques de fabrication additive transformatrices pour faire progresser la robotique souple

#1. Flashforge

Récemment, une pince souple modulaire imprimée en 3D avec des préhenseurs très conformes a été développée. Les doigts étaient composés d'actionneurs pneumatiques souples à pression positive ainsi que d'un métamatériau mécanique. Le métamatériau intégrait une structure auxétique souple et des nervures souples. L'imprimante 3D utilisée dans le processus était une imprimante à dépôt de filament (fused deposition modeling) à faible coût et à source ouverte provenant de la maison FlashForge Corporation.

Créée en 2011, Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD est l'une des premières entreprises chinoises spécialisées dans la recherche, le développement et la fabrication d'équipements et de matériaux d'impression 3D professionnels.Flashforge les produits sont distribués dans près de 100 pays et régions à travers le monde.

Elle a développé plus de 600 revendeurs de la marque dans plus de 50 pays et régions, tant au niveau national qu'international.

FlashForge USA se concentre sur la démocratisation de l'impression 3D pour les institutions, les architectes, les ingénieurs, les designers, les utilisateurs industriels, ainsi que pour les vastes marchés des consommateurs et des prosommateurs.

On estime que Flashforge réalise un chiffre d'affaires de plus de US$15 million, tandis que FlashforgeUSA dépasse les US$7 million.

#2. NinjaTek

Parmi ses nombreuses solutions, le filament d'imprimante 3D Cheetah® 3D Printer Filament a été utilisé pour créer des os flexibles et réalistes pour des mains prothétiques. La conception du doigt nécessitait l'intégration d'un os imprimé en 3D flexible dans un moule en silicone afin de créer une texture réaliste semblable à la peau et d'augmenter la robustesse et la résistance des doigts. L'équipe de chercheurs responsable de la conception et du développement de la main a trouvé le filament TPU semi‑flexible Cheetah de NinjaTek très utile pour concevoir la pièce prothétique.

NinjaTek fait partie de Fenner Precision Polymers. Elle produit des filaments spécialisés pour les utilisateurs finaux dans le secteur industriel de l'impression 3D. L'entreprise est désormais une filiale du groupe Michelin.

Michelin Group a enregistré plus de 28,5 milliards d'euros de chiffre d'affaires en 2022, contre près de 24 milliards d'euros en 2021. Le résultat d'exploitation de l'entreprise, en pourcentage de son chiffre d'affaires, était d'environ 12 % en 2022.

#3. Fictiv

Un autre acteur clé de ce secteur est Fictiv, une entreprise offrant une gamme complète de services d'impression 3D et démontrant un fort engagement à faire progresser la robotique souple. Son expertise est très recherchée, de grandes entreprises de med‑tech comme Medtronic utilisant les services innovants de Fictiv.

Fictiv estime que les robots souples sont plus adaptables et flexibles. Ils peuvent « mieux comprendre diverses conceptions de poignées et adapter leurs mouvements en conséquence ». Ils voient également les robots souples comme davantage « actionnés pneumatiquement pour saisir des objets, ce qui permet d'ajouter facilement des capacités d'aspiration ».

En mai 2022, Fictiv a annoncé la clôture d'un tour de financement de 100 millions de dollars en série E. Ce tour a été mené par Activate Capital, incluant de nouveaux investisseurs tels que l'Angeleno Group, Cross Creek et The Westly Group. Les autres investisseurs institutionnels de Fictiv comprennent Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners et Standard Investments. Le financement de série E a porté le total des investissements dans Fictiv à 192 millions de dollars US depuis le démarrage de ses activités en 2013.

Impression 3D ou technologie de fabrication additive dans la robotique souple: ce que l'avenir réserve

L'impression 3D ou la fabrication additive doit devenir une technologie clé dans la robotique souple grâce à sa haute qualité et à sa capacité d'imprimer plusieurs matériaux simultanément.

Les robots souples sont constitués de fluides, de gels, de polymères fonctionnels et d'autres matériaux facilement déformables, ce qui permet à la solution robotique de rester opérationnelle même lorsqu'elle est étirée ou comprimée. Il est important de noter que ces matériaux sont compatibles avec les technologies d'impression 3D ou de fabrication additive actuelles, qui sont non seulement plus rapides mais aussi plus fiables. Cependant, pour devenir universellement adaptables, ils devront améliorer leur évolutivité.

Un autre avantage des nouvelles technologies de fabrication additive réside dans leur grande spécificité et leur capacité à imprimer les formes les plus complexes.

Les nouvelles techniques de fabrication additive sont également utiles pour le placement des sources d'énergie, qui constituent une partie intégrante de la plupart des robots souples récemment développés. De plus, les nouvelles techniques d'impression 3D permettent de les placer intelligemment à l'intérieur des structures robotiques souples.

En revanche, les matériaux souples imprimables en 3D actuellement disponibles ont tendance à se déformer sous les forces généralement appliquées pendant le processus de construction en raison de leur propre poids, ce qui nécessite l'inclusion d'un matériau de support. Ce défi met en évidence un domaine propice à un développement supplémentaire. Pour y remédier, l'une des solutions est apparue sous la forme d'hydrogels viscoélastiques, capables de résister à des pressions allant de kilopascals à mégapascals.

Récemment, un groupe de recherche a également développé avec succès une technique omnidirectionnelle capable d'imprimer des matériaux extrêmement souples, comme des liquides, qui peuvent être maintenus en place grâce à une polymérisation ultérieure.

Une autre équipe de recherche, composée d'étudiants de l'Université technologique de Delft, a introduit une autre fonctionnalité passionnante. Elle a permis de développer des technologies d'impression 3D capables de couler des silicones dans des coques imprimées en 3D. Cette technique est à faible coût et peut aider la robotique souple à atteindre de nouveaux sommets à l'avenir.

Avec davantage de recherches et d'études scientifiques menées sur le sujet, la fabrication additive aidera la robotique souple à devenir très pertinente dans le domaine des sciences médicales et de la santé. Elle a déjà contribué au développement de gants robotiques souples imprimés en 3D utiles aux personnes souffrant d'une fonction manuelle limitée, de paralysie locale ou d'arthrite.

Des scientifiques ont également construit des mains prothétiques et des robots souples imprimés en 3D à quatre pattes capables de marcher sur des surfaces irrégulières et rugueuses comme des cailloux et du sable.

Outre leurs utilisations en rééducation médicale et de santé, ces robots souples peuvent aider lors d'opérations de secours ou être utilisés pour collecter des données de capteurs dans des environnements dangereux.

En résumé, les opportunités que les nouvelles techniques de fabrication additive offrent pour faire progresser la robotique souple sont immenses. Il ne reste plus qu'à les sortir du laboratoire pour une utilisation à grande échelle au bénéfice du public.

Cliquez ici pour les dix meilleures actions de fabrication additive et d'impression 3D.