Comment la robotique peut s’inspirer de la nature

Passés d’une source de divertissement pour les écrivains de science-fiction à un outil de développement pour la société humaine, les robots et la robotique ont parcouru un long chemin. 

Entre 2016 et 2028, le marché mondial de la robotique devrait passer d’environ US$23 milliards à plus de US$45 milliards. À ses débuts, on considérait la robotique comme quelque chose qui resterait limité aux espaces industriels. 

Au contraire, plus de la moitié du marché de la robotique est aujourd’hui constituée de robotique de service. De nos jours, les robots sont largement utilisés dans l’industrie automobile, l’industrie chimique, l’industrie électrique/électronique, l’industrie alimentaire, l’industrie médicale, et bien d’autres. De manière plus innovante, les fournisseurs de robotique veillent à son utilisation dans des domaines plus traditionnels tels que l’agriculture, le travail domestique et le divertissement. 

Bien qu’il soit vrai que le rôle de la robotique a été transformateur dans de nombreux domaines conventionnels, peut‑elle apprendre une chose ou deux du monde qui nous entoure ? Aujourd’hui, nous examinerons de près les scénarios où la robotique peut s’inspirer de la nature. 

Comment la robotique bio‑inspirée peut s’enrichir grâce aux coléoptères tourbillonnants

Connus comme l’insecte le plus rapide du monde en natation, les coléoptères tourbillonnants peuvent atteindre une accélération de 100 mètres par seconde et une vitesse maximale de 100 longueurs de corps par seconde, soit précisément 1 mètre par seconde. Mais comment obtiennent‑ils une telle vitesse et accélération ?

Leur stratégie de vol a été étudiée par des chercheurs et publiée dans la revue Current Biology. L’étude portait le titre, ‘Whirligig Beetle Uses Lift-Based Thrust for Fastest Insect Swimming.’ 

Les chercheurs ont utilisé deux caméras à grande vitesse synchronisées sous différents angles. Le résultat était la vidéo détaillant le mécanisme de vol : une poussée basée sur la portance. Elle fonctionnait de façon similaire à une hélice, le mouvement de poussée se déroulant perpendiculairement à la surface de l’eau. Ce mécanisme aide à éliminer la traînée et apporte plus d’élan pour une vitesse supérieure. 

Pourquoi cette découverte est‑elle importante ? Bien qu’il soit vrai que la poussée basée sur la portance ait déjà été identifiée chez les organismes de grande taille, cette étude montre que le phénomène s’applique à une échelle de longueur aussi petite qu’un centimètre. 

Selon Chris Roh, professeur adjoint en génie biologique et environnemental au College of Agriculture and Life Science, cette découverte s’adresse à la robotique bio‑inspirée et aux autres communautés d’ingénierie afin d’identifier d’abord la physique appropriée, puis de tenter de la préserver lors de la création de la robotique. 

Plus précisément, Roh estime que ce phénomène pourrait être utilisé pour développer des navires robotiques sans équipage, qui pourraient être beaucoup plus petits et plus flexibles en tirant parti des mécanismes de propulsion générant de la portance des coléoptères tourbillonnants. Les États‑Unis sont en train de développer de tels bateaux qui seront libérés des contraintes liées à l’accueil d’un équipage. 

Cette recherche nous incite à voir la robotique sous un nouveau jour. Il est toujours possible de s’inspirer de la nature et de la rétro‑ingénierie en conceptions mécaniques humaines. Nous avons trouvé d’autres exemples de cette synergie entre la nature, les humains et la machine. 

Robot inspiré du poulpe, salué comme l’avenir de la robotique souple

Créé en 2016 par Cecilia Laschi, professeure à l’Institut de bio‑robotique de Sant’Anna à Pise, en Italie, le robot inspiré du poulpe était extrêmement flexible et pouvait réagir à son environnement avec beaucoup plus de sensibilité et de précision que la plupart des autres robots souples développés jusqu’alors. Selon Laschi :

« Ce domaine de recherche relativement nouveau a le potentiel de bouleverser nos idées sur ce dont les robots sont capables et où ils peuvent être utiles. »

Le robot, qui nécessitait beaucoup moins de puissance de calcul et était bien plus apte à se déplacer sur des terrains accidentés, pouvait aspirer du liquide puis le rejeter de son corps. Il pouvait se faufiler sur le fond marin rugueux en utilisant ses huit pattes. 

Le robot a été construit avec des polymères électro‑actifs qui se déforment lorsqu’ils sont exposés à l’électricité. Il a été testé avec succès en Méditerranée début 2016. Son développement a aidé le domaine de la robotique souple à progresser considérablement depuis. 

Dans un cas, en 2017, Harvard University a créé l’Octobot, un robot souple dont tous les composants mécaniques ont été remplacés par des systèmes souples analogues. Il a été imprimé en 3D et possédait des canaux incrustés facilitant l’alimentation et le contrôle du mouvement, alimentés par une pneumatique à gaz. 

En dehors des développements inspirés du poulpe, la robotique bio‑inspirée a également imité d’autres animaux. Les ingénieurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne, par exemple, ont développé un robot qui imitait le mouvement d’une salamandre. 

Une autre équipe de chercheurs s’est inspirée des serpents. Grâce à leur capacité à traverser des terrains complexes et sinueux, ces robots pourraient s’avérer utiles pour l’exploration spatiale. 

Pleurobot et Snakebot : la robotique qui a rendu les mouvements complexes possibles

Le Pleurobot s’inspire du mouvement d’une salamandre. Il possède une vertèbre unique qui aide le robot à se glisser dans l’eau et en sortir. Il comporte 11 segments rachidiens. Du point de vue de la vision, le développement du robot visait à re‑stimuler le fonctionnement de la moelle épinière humaine ainsi que l’interaction du cerveau avec celle‑ci. 

Imiter le mouvement d’une salamandre à travers un robot a été une percée cruciale car les salamandres peuvent passer d’une rampe à une marche puis à la nage en exécutant le même mouvement, ne changeant que la vitesse. De telles innovations pourraient s’avérer transformatrices et révolutionnaires lorsqu’elles sont reproduites dans les machines et les robots. 

Le Snakebot, quant à lui, est le fruit d’une équipe de chercheurs de l’Université Carnegie Mellon. Ils visaient à développer un robot qui imiterait le déplacement d’un serpent en rampant à travers des terrains difficiles, des décombres et autour d’obstacles. Le robot mesurait 37 pouces de long et 2 pouces de diamètre et possédait 16 articulations. Selon les dernières informations, la NASA avait déployé ces robots dans leurs projets d’exploration spatiale. 

Avec ces développements et bien d’autres, les robots qui s’inspirent de la nature, également appelés robotique bio‑inspirée, sont devenus majeurs. Le Massachusetts Institute of Technology, l’une des institutions les plus admirées et respectées au monde pour l’enseignement de l’ingénierie, propose un cours de robotique bio‑inspirée au sein de son département de génie mécanique. 

Le cours vise à encourager une « approche interdisciplinaire de la conception bio‑inspirée, en mettant l’accent sur l’extraction de principes applicables à divers domaines de recherche en robotique, tels que la robotique, les prothèses et les technologies d’assistance humaine ». 

Non seulement les grandes institutions s’y intéressent, mais les grandes entreprises technologiques s’impliquent également avec beaucoup d’enthousiasme dans la robotique bio‑inspirée. Par exemple, Boston Dynamics, une société acquise par Hyundai en 2021 pour une valeur de 1,1 milliard de dollars US, a développé un robot qui imite un chien pour accomplir de nombreuses tâches difficiles. La machine à quatre pattes a été nommée Spot. 

1. Spot de Boston Dynamics : un robot à quatre pattes qui imite un chien

Développé comme un chien jaune sans tête, Spot, de Boston Dynamics, pouvait gravir des pentes et franchir des escaliers. L’appareil était proposé à 74 500 $ US. Il remplissait de nombreuses fonctions, de l’inspection d’usines, de chantiers et d’environnements dangereux, à la capacité de monter et même de naviguer les escaliers. 

Spot est désormais capable de fonctionner 24 h/24, 7 j/7, sans intervention. Il peut se recharger de façon autonome et replanifier dynamiquement autour de nouveaux obstacles. Selon les chiffres officiels, les robots Spot ont déjà atteint plus de 1 000 clients à ce jour. 

Spot s’adresse à divers secteurs, notamment la fabrication, l’énergie et les ressources naturelles, la construction, le milieu académique et éducatif, ainsi que le gouvernement. 

Après qu’Hyundai a conclu son accord pour prendre le contrôle de Boston Dynamics, il détenait 80 % des parts de l’entreprise. SoftBank, via l’une de ses filiales, contrôlait les 20 % restants. 

Hyundai a publié ses états financiers consolidés pour 2022 le 21 mars 2023. L’entreprise a réalisé un chiffre d’affaires de 6 126 969 millions de wons coréens en 2022, une hausse considérable par rapport aux 3 782 498 millions de wons coréens enregistrés en 2021. Les dividendes versés en 2022 s’élevaient à 7 207 millions. 

2. Acquisition par ABB de SevenSense : une percée dans le développement de robots inspirés par la nature

ABB, un autre pilier mondial de la robotique, a récemment acheté Sevensense, une start‑up suisse qui se spécialise dans l’amélioration de la mobilité des robots industriels. Plus précisément, SevenSense développe et fabrique des systèmes robotiques équipés de capteurs et d’IA, dotés de fonctions œil et cerveau pour se déplacer dans les usines. 

Les solutions ne resteront pas limitées aux lignes de production fournies qui utilisent généralement des bandes magnétiques fixes. Ces robots peuvent déplacer 2 tonnes de matériaux à des vitesses de 1,5 mètre par seconde. Ils sont équipés de six caméras. Selon Sami Atiya, responsable de la robotique et de l’automatisation discrète chez ABB :

« Avec l’ancien système, lorsqu’il fallait modifier une ligne de production de 100 mètres, ajouter par exemple une nouvelle cellule de production, il était impossible de dévier le robot. Aujourd’hui, nous pouvons le faire facilement. »

Selon son rapport financier disponible, ABB a réalisé un chiffre d’affaires annuel de 29,4 milliards de dollars US en 2022, contre 28,9 milliards de dollars US en 2021. 

3. Motobot de Yamaha, inspiré du cavalier humain

Pas seulement les animaux marins et nos amis à quatre pattes, mais les robots s’inspirent également de nous, les humains. Le projet unique de Yamaha, Motobot, vise à créer un robot humanoïde idéal capable de piloter un véhicule sans modification pour une utilisation autonome. Motobot peut piloter le véhicule de façon autonome en recueillant des données telles que la vitesse du véhicule, le régime du moteur, l’attitude de la machine et d’autres paramètres similaires. 

Yamaha prévoit d’équiper Motobot, à l’avenir, de GPS haute précision, de capteurs, etc., afin qu’il dispose de capacités de reconnaissance de position de la machine et prenne des décisions plus judicieuses concernant les meilleures trajectoires à suivre sur un circuit et les limites de performance de la moto. 

Pour développer Motobot, Yamaha s’est associé à SRI International, un institut de recherche mondial de premier plan. La vision est de puiser l’inspiration et les connaissances dans les technologies sous‑jacentes actives dans le développement de MOTOBOT, telles que le contrôle robotique et la création d’interfaces homme‑machine. 

Selon son rapport annuel disponible pour l’exercice 2022, Yamaha a réalisé un chiffre d’affaires de plus de 408 milliards de yens japonais cette année, avec un bénéfice d’exploitation de base de 43 milliards de yens japonais. 

Une liste de développements sans fin

Dans le cadre limité de cet article, nous pourrions aborder de nombreux exemples révolutionnaires où la robotique s’est fortement inspirée de la nature. Cependant, un examen des publications de recherche disponibles montre que ce n’est que la partie émergée de l’iceberg. La robotique, en tant que domaine d’étude, de recherche, de développement et d’application, s’est largement nourrie de la nature et continuera de le faire. 

Les drones robotiques, par exemple, s’inspirent fortement des oiseaux. Non seulement en ce qui concerne leur mécanisme de vol, les oiseaux inspirent également les drones à voler efficacement par mauvais temps et face à de forts vents. 

Les oiseaux plongeurs ont conduit à la création du Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) au Aerial Robotics Laboratory de l’Imperial College London. Ces AquaMAV peuvent plonger dans l’eau à grande vitesse, remonter à la surface et expulser de l’eau via un jet. Ces solutions sont utilisées dans divers cas, notamment la collecte d’échantillons d’eau pour des missions de secours ou l’exploration sous‑marine. 

Les papillons ont inspiré les micro‑robots à adopter une structure d’aile spéciale qui pourrait les aider à voler plus loin et à éviter les accidents. 

Boston Dynamics, l’une des entreprises déjà évoquées, possède un autre robot appelé Atlas, qui est un humanoïde bipède intelligent. 

Jessiko est un robot sous‑marin qui utilise des nageoires pour se déplacer dans l’eau. DelFly Micro est un robot à ailes battantes de 3,07 g qui, comme son nom l’indique, s’inspire de la mouche. Le monde a également été témoin de l’avènement de robots souples à quatre pattes, imprimés en 3D et inspirés des tortues. 

La nature compte des millions d’animaux et d’insectes. Les capacités évolutives de ces êtres leur permettent d’accomplir des choses étonnantes. Les humains ne font pas exception. Apprendre le fonctionnement de ces corps ouvrirait de nombreuses opportunités pour les robots. 

De nombreuses tâches qui obligent les humains à se rendre dans des lieux dangereux pourraient être réalisées par ces robots. Ces robots peuvent non seulement accomplir ces tâches, mais le faire à une vitesse et une efficacité supérieures, avec beaucoup de finesse et de précision. Ils peuvent aider à exécuter de nombreuses tâches répétitives afin de libérer du temps pour que le cerveau humain puisse faire ce qu’il fait de mieux : imaginer et créer de nouvelles choses pour faire progresser la civilisation. 

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