Les actionneurs à base de muscle pourraient maximiser le potentiel des solutions robotiques

Des ingénieurs du MIT ont associé des tissus musculaires cultivés en laboratoire à un mécanisme flexible conçu pour guider leur mouvement. Ce dispositif expérimental pourrait servir de module à des robots biohybrides. Il ne constitue pas encore un robot autonome prêt à l’emploi.

Des mécanismes flexibles actionnés par des muscles

Un article scientifique publié dans Advanced Intelligent Systems décrit un mécanisme flexible qui améliore la course et la reproductibilité des contractions musculaires mesurées. La conception vise à convertir plus efficacement la contraction en déplacement utile.

Mécanismes flexibles

Un mécanisme flexible utilise la déformation élastique de ses éléments pour permettre un mouvement contrôlé. Il peut faire partie d’un actionneur, mais n’est pas nécessairement lui-même la source d’énergie. Un actionneur transforme une énergie disponible en mouvement ou en force.

Ces mécanismes ressemblent à des ressorts. Le choix de leur géométrie permet d’obtenir une grande souplesse dans une direction et une forte rigidité dans les autres. Ils servent notamment au guidage de mouvements précis.

Mécanismes flexibles biohybrides

Les chercheurs ont conçu une structure miniature en accordéon, fixée sur une base par de petits plots. Un anneau de tissu musculaire relie un plot mobile à un plot fixe. La structure guide ainsi le mouvement dans une direction privilégiée.

La géométrie et la rigidité du mécanisme ont été calculées en fonction des forces musculaires. Les chercheurs ont ensuite mesuré les déplacements et leur répétabilité. La plateforme peut aider à comparer des tissus et des conceptions ; elle n’établit pas à elle seule les premières normes de toute la robotique souple.

Essais

Les essais mesuraient notamment le rapprochement des plots lors de la contraction. La course du muscle était environ cinq fois plus grande qu’avec les dispositifs antérieurs comparés. Ce résultat ne signifie pas simplement que le mécanisme a été étiré cinq fois.

Les chercheurs ont aussi fait varier la fréquence de stimulation pour étudier la fatigue. À fréquence élevée, les tissus perdaient plus rapidement leur capacité à produire une traction. La plateforme permet donc d’examiner les relations entre stimulation, performance et endurance.

Réglage de la rigidité

L’épaisseur et l’espacement des poutres modifient la rigidité du mécanisme. La conception retenue était beaucoup plus souple que le tissu musculaire, afin de permettre une contraction importante dans la direction voulue. Le travail ne prouve pas une supériorité universelle sur tous les actionneurs.

Les mécanismes de précision peuvent être conçus pour des déplacements très fins. Il faut toutefois distinguer cette capacité générale d’une précision nanométrique démontrée pour le robot musculaire. L’étude porte surtout sur l’amplification de la course et la mesure reproductible des contractions.

Tissus musculaires squelettiques

Les anneaux musculaires ont été produits à partir de cellules de souris cultivées en laboratoire. Il s’agit de tissus vivants, dont les conditions de culture et la variabilité doivent être prises en compte.

Fibres musculaires et actionneurs synthétiques

Les muscles convertissent de l’énergie chimique en travail mécanique. Un stimulus peut déclencher la contraction sans fournir à lui seul toute l’énergie du mouvement. Les actionneurs biohybrides cherchent à exploiter ces propriétés, mais leur supériorité dépend de l’application et du système comparé.

Pour comparer les actionneurs, il faut considérer la force, la course, la consommation totale, la répétabilité et la durée de vie. Les besoins des tissus vivants, notamment en milieu de culture, font aussi partie du bilan. Ils ne sont pas automatiquement plus petits ou moins énergivores dans tous les cas.

Robots biohybrides

Les robots biohybrides associent des composants biologiques à des structures artificielles. Des prototypes utilisent depuis plusieurs années des cellules ou des tissus musculaires pour produire des mouvements.

Des démonstrateurs imitent certains mouvements naturels, comme la nage. Ces robots souples peuvent utiliser une structure artificielle pour guider les tissus. La précision et la délicatesse dépendent de la conception ; elles n’égalent pas automatiquement celles d’une main humaine.

Différentes approches biohybrides

Les dispositifs biohybrides peuvent intégrer des cellules isolées, des microorganismes ou des tissus. Les exemples ci-dessous illustrent différentes approches, plutôt qu’une classification universelle en trois catégories.

• Certains microrobots exploitent des cellules, des microorganismes ou leurs composants pour se déplacer ou accomplir une tâche. Des applications biomédicales et environnementales sont étudiées, mais les usages envisagés nécessitent validation et maîtrise de la sécurité.
• Les dispositifs fondés sur des tissus utilisent notamment des muscles cultivés en laboratoire. Ils pourraient contribuer à des interfaces ou à des systèmes d’assistance. Restaurer la vision, la marche ou une autoréparation complète reste une perspective distincte de ce démonstrateur.
• D’autres conceptions associent des muscles à une structure qui joue le rôle de squelette. La structure peut être artificielle : elle n’est pas nécessairement biologique. Les mouvements possibles dépendent de la géométrie, du contrôle et de la force disponible.

Défis des robots biohybrides

La variabilité des composants biologiques complique la conception et la comparaison des dispositifs. Les outils et méthodes existent, mais ne sont pas tous standardisés. Il faut notamment maîtriser les conditions de culture et les différences entre tissus.

Reproductibilité

Des tissus cultivés selon un même protocole peuvent présenter des performances différentes. Il faut mesurer leur réponse aux stimulations et la fatigue, plutôt que supposer qu’un étirement provoque toujours une contraction identique.

Obtenir des composants biologiques répétables reste donc difficile. Les progrès de la culture et de la fabrication de tissus, y compris certaines méthodes d’impression 3D, pourraient aider, sans garantir une solution immédiate.

Vers des méthodes communes

Cette plateforme pourrait faciliter la comparaison de performances entre laboratoires et conceptions. Elle propose un module mécanique réutilisable, mais ne constitue pas un actionneur universel déjà normalisé pour tous les robots.

Plusieurs mécanismes flexibles peuvent être combinés pour construire des structures articulées. Leur adaptation dépend des forces, des amplitudes et des conditions biologiques recherchées. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour des systèmes complets.

L’équipe du MIT

L’équipe comprend Ritu Raman, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios et Martin Culpepper. Alex d’Arbeloff fait partie du nom de la chaire occupée par Ritu Raman à l’époque ; il ne s’agit pas d’un chercheur supplémentaire de cette étude.

La collaboration entre spécialistes des tissus musculaires et des mécanismes de précision a permis d’adapter la structure en accordéon. Le but était de guider la contraction naturelle du muscle et d’en tirer davantage de déplacement utile.

Possibilités de la technologie biohybride

Associer biologie et robotique ouvre des pistes pour des systèmes adaptatifs. Des capacités comme le renforcement ou l’autoréparation peuvent être étudiées, mais ne sont pas automatiquement présentes dans chaque dispositif biohybride.

Perception sensorielle

Des composants biologiques peuvent détecter des signaux physiques ou chimiques. Les chercheurs étudient comment intégrer certaines de ces fonctions à des dispositifs artificiels. Cela nécessite un contrôle des réponses, de la stabilité et des conditions de fonctionnement.

Interfaces cerveau-machine

Les interfaces cerveau-machine constituent un domaine voisin, mais distinct des actionneurs musculaires. Des entreprises comme Neuralink étudient le décodage de signaux neuronaux pour commander des appareils. Il ne s’agit pas d’une lecture générale de toutes les pensées.

Prothèses de nouvelle génération

Les muscles cultivés pourraient inspirer de nouvelles technologies d’assistance. Une prothèse intégrant des tissus vivants, transmettant des sensations et fonctionnant durablement chez une personne exige cependant bien plus qu’une démonstration de contraction en laboratoire.

Applications environnementales

Des dispositifs biohybrides pourraient servir à surveiller l’environnement. Mesurer un polluant et le réduire sont deux fonctions différentes. La compatibilité environnementale et le bilan matériel doivent être évalués pour chaque conception.

Usages futurs des actionneurs musculaires

Les mécanismes étudiés pourraient devenir des modules pour des robots miniatures ou des plateformes de recherche. Les résultats montrent un gain de course dans les conditions testées ; ils ne démontrent pas une efficacité énergétique supérieure pour tous les usages, de l’aéronautique à la médecine.

Vers des robots plus légers et mieux contrôlés

Réduire la masse et mieux utiliser l’énergie peut être utile en robotique. Les actionneurs biohybrides proposent une voie de recherche intéressante, avec des contraintes propres aux tissus vivants. Leur intérêt pratique dépendra de la fiabilité, de l’intégration et des besoins de l’application.

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