Utiliser des ressorts pour réduire la consommation d’énergie dans la robotique

Une initiative de recherche financée par la National Science Foundation la semaine dernière apporte des éclaircissements sur la façon dont les ressorts pourraient rendre les moteurs plus efficaces à l’avenir. Létude a été présentée par deux ingénieurs mécaniques, Erez Krimsky et Steven H. Collins. Dans leur rapport, ils détaillent les avantages d’un moteur hybride à ressort avant de dévoiler un prototype fonctionnel.  Voici ce que vous devez savoir.

Pourquoi les ressorts pourraient être la solution

Les ressorts peuvent sembler une solution improbable aux problèmes d’usure des moteurs ou de consommation énergétique massive. Cependant, certaines caractéristiques uniques les rendent parfaitement adaptés à cette tâche. Tout d’abord, ils peuvent produire du couple sans nécessiter d’énergie.

Les ressorts peuvent stocker de l’énergie élastique lorsqu’ils sont étirés, avec presque aucune perte. Cette énergie élastique peut être convertie directement en force mécanique de manière efficace. De plus, les ressorts peuvent être ajustés ou utilisés en tandem pour augmenter ou diminuer le couple selon les besoins.

Défis à surmonter

Par le passé, certaines personnes intuitives ont reconnu le potentiel des ressorts à stocker et convertir l’énergie. Cependant, des défis distincts devaient être surmontés pour que ces projets aboutissent. Tout d’abord, les ressorts sont notoirement difficiles à contrôler.

Oui, si vous tirez sur un ressort, il rebondira. Le problème est de fabriquer un ressort qui rebondira au même rythme pendant des milliers ou des millions d’utilisations. Ainsi, l’une des premières choses que les ingénieurs ont dû déterminer était comment contrôler les ressorts qu’ils souhaitaient intégrer.

Nouvelle conception de ressort

Après quelques délibérations, ils ont conclu qu’une nouvelle conception était nécessaire. Ils ont créé une toute nouvelle configuration de ressort léger activée par l’énergie élastique pour le projet. Ces ressorts sont fabriqués à partir d’un matériau élastique tendu à travers le cadre. Lorsqu’un courant électrique est appliqué, le ressort se rétracte et se resserre. Cette stratégie a permis aux développeurs d’empiler quatre ressorts côte à côte.

L’utilisation de plusieurs ressorts ajoute du couple supplémentaire et des options de contrôle au moteur. Les utilisateurs peuvent engager un ou plusieurs ressorts lorsque les besoins en puissance augmentent. Cette approche leur a permis de créer une petite version de leur moteur, qui pourrait être utilisée dans des applications commerciales et robotiques à l’avenir.

Le prototype – Actionneur de recyclage

Le prototype officiel du moteur à actionneur parallèle-élastique est déjà en phase de test. Ce petit moteur intègre quatre ressorts électrostatiques fonctionnant en parallèle. Cette structure permet également au moteur d’exploiter les ressorts pour réduire la charge de travail, augmenter la puissance et diminuer l’usure mécanique.

Les résultats des tests sont prometteurs

Le rapport a présenté des résultats de tests impressionnants du prototype. Les développeurs ont soumis l’actionneur à de multiples tests cycliques afin d’évaluer les effets des ressorts sur le dispositif. Il est devenu évident dès le départ que les ressorts amélioraient considérablement l’efficacité.

Ce qui est encore plus intéressant, c’est que les développeurs ont découvert que les ressorts agissaient comme une boîte de vitesses sur un moteur, permettant de changer de rapport pour obtenir plus de couple. Contrairement aux boîtes de vitesses traditionnelles qui nécessitent des embrayages mécaniques pour modifier le couple, cette configuration intègre parfaitement des embrayages électriques qui s’activent au besoin.

Embrayages électroadhésifs

L’utilisation de paires d’embrayages électroadhésifs pour maintenir les ressorts verrouillés sous tension a été une innovation majeure. Ces embrayages ont été conçus aussi fins que possible afin de réduire le poids. Ils sont revêtus d’un diélectrique et peuvent fonctionner sans friction lorsqu’ils ne sont pas alimentés. Notamment, les embrayages se verrouillent en place lorsqu’une tension leur est appliquée.

Ce type d’embrayage électrique nécessite une puissance minimale et offre une réactivité quasi instantanée. De plus, ils offrent une haute efficacité comparée aux options mécaniques et peuvent être produits à moindre coût. Ces facteurs signifient que leur utilisation dans les moteurs à ressorts électrostatiques pourrait devenir la norme.

Avantages que les moteurs à ressorts apportent au marché

Ce type de moteur apporte de nombreux avantages sur le marché. Tout d’abord, il améliore l’efficacité dans un vaste secteur du marché. Ces appareils sont conçus pour être économes en énergie et durables. De plus, leur conception légère nécessite beaucoup moins d’énergie pour le transport ou le fonctionnement.

Réduire l’usure du moteur

Un autre avantage majeur de ce type de moteur est qu’il réduit l’usure. Les moteurs actuels sont responsables de tous les aspects de leurs mouvements mécaniques. Cela signifie qu’un moteur qui tamponne un article sur une chaîne de montage utilise son énergie pour tamponner et soulever le tampon après l’action.

Imaginez le même robot, mais cette fois, il n’a qu’à enfoncer le tampon. Les ressorts s’engagent alors et soulèvent la plaque à nouveau. Ce type d’intégration de ressorts pourrait réduire considérablement l’usure du moteur en éliminant la moitié de son cycle de fonctionnement. Il réduit également l’usure thermique. Les moteurs chauds fonctionnent moins efficacement et sont plus sujets aux pannes.

En théorie, les moteurs alimentés par des ressorts pourraient durer deux fois plus longtemps que leurs homologues entièrement mécaniques. Ils nécessiteraient moins d’énergie pour fonctionner et seraient plus faciles à expédier ou à utiliser en déplacement. Ces facteurs incitent de plus en plus de chercheurs à explorer ce secteur.

Polyvalence

Le moteur à ressort des chercheurs s’est avéré polyvalent. L’agencement mécanique permet d’engager et de désengager chaque ressort individuellement selon les besoins. Cette structure offre également un contrôle fin et élimine les pertes d’énergie.

À mesure que la robotique se développe, la demande pour des unités dotées de compétences motrices fines persiste. Étonnamment, il est plus facile de trouver un robot capable de soulever une voiture que celui qui peut ramasser un œuf sans le casser. Les moteurs à actionneur à ressort pourraient être le maillon manquant de cette quête, car ils permettent aux ingénieurs d’appliquer une pression précise lorsqu’elle est nécessaire, sans ajouter de poids.

Efficacité énergétique supérieure

L’utilisation de ressorts pour réduire le cycle de fonctionnement des moteurs est logique et les données le confirment. Le rapport des chercheurs montre que leur moteur a réduit la consommation d’énergie de 50 % en moyenne. L’étude a révélé que, selon la tâche, les économies d’énergie pouvaient atteindre 97 %. Ainsi, il y a beaucoup d’engouement autour du fait que ces moteurs permettront un jour aux appareils d’aller plus loin et de fonctionner plus longtemps que jamais.

Stocker l’énergie efficacement

Un autre avantage considérable est la capacité des ingénieurs à intégrer la récupération d’énergie élastique pour alimenter les batteries. Les ressorts peuvent être utilisés comme une batterie mécanique ou en combinaison avec les batteries traditionnelles afin d’améliorer l’efficacité du stockage et de la conversion. L’utilisation d’embrayages à faible puissance par les ingénieurs illustre comment cette technologie pourrait alimenter les batteries du futur.

Impacts sur le marché

Cette dernière avancée a le potentiel de bouleverser divers marchés qui dépendent, ou dont la dépendance aux robots augmente. Les moteurs à ressort pourraient aider à créer des systèmes robotiques à faible consommation d’énergie capables de travailler de longues journées sans recharge.

La révolution technologique est déjà en marche et les robots du quotidien prennent en charge de plus en plus de tâches quotidiennes des humains. À mesure que ces appareils deviennent conscients de leur environnement, ajoutent des capacités et apprennent à communiquer couramment avec les humains, la demande de moteurs à faible consommation augmentera de façon exponentielle.

Fabrication

Les secteurs de la fabrication et de l’industrie recherchent des robots à faible consommation depuis des décennies. De grandes entreprises ont déjà investi des milliards dans leur infrastructure robotique. Ces premiers robots leur ont fait économiser des milliards, mais nécessitaient beaucoup d’énergie et d’entretien en raison de leur conception.

La prochaine génération de robots coûtera moins cher à exploiter, sera plus intelligente et nécessitera moins d’entretien. Ces appareils commencent déjà à pénétrer le marché en tirant parti de systèmes d’IA avancés. À l’avenir, les moteurs à ressort pourraient aider les fabricants à réduire leurs coûts de moitié tout en améliorant la qualité de leurs produits.

Santé

Lorsque l’on pense à la robotique, la santé n’est peut-être pas la première industrie qui vient à l’esprit. L’intégration de la robotique dans le domaine de la santé se développe depuis des décennies et cette dernière avancée pourrait accélérer les choses. La légèreté et la durabilité des moteurs à ressort pourraient un jour rendre les prothèses ou les exosquelettes plus accessibles.

Les robots aident déjà les personnes handicapées à mener une vie plus épanouissante. Rendre ces appareils plus légers et plus efficaces ouvre la porte à de nouvelles personnes pour recevoir de l’aide. Notamment, plusieurs projets de santé intéressants sont déjà en cours, combinant robots et santé pour améliorer la vie.

L’IA pourrait être la clé

L’utilisation de ressorts électrostatiques pour alléger la charge de travail des moteurs constitue un grand pas vers la création de robots véritablement durables. L’autre facette de cette équation consiste à déterminer les seuils et les capacités des matériaux utilisés dans ces appareils. L’IA s’est avérée un outil inestimable dans ce parcours.

Elle a aidé à développer et configurer de nouvelles conceptions, à tester virtuellement des scénarios et à programmer des algorithmes d’apprentissage profond. Ensemble, ces avancées ont contribué à faire de la robotique IA la prochaine frontière.

Le marché de la robotique en mouvement

Il suffit d’un regard pour voir que le secteur de la robotique est l’un des marchés les plus dynamiques de la technologie. Des grandes entreprises cherchant à déployer ces appareils pour réduire les coûts d’exploitation aux startups qui repoussent les limites de la technologie, de nombreux projets méritent d’être découverts. Voici quelques entreprises de robotique à surveiller.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) a été lancée en 1988 et possède des activités en Suisse. La division robotique de l’entreprise est pionnière sur le marché depuis des décennies. Les robots ABB se trouvent partout dans le monde. Le fabricant a produit et expédié plus de 500 K unités à ce jour.

ABB est l’un des fabricants les plus performants au niveau mondial. L’entreprise emploie plus de 11 K experts et possède des activités dans plus de 53 pays. Aujourd’hui, elle reste une force pionnière qui propose une vaste gamme de solutions robotiques aux partenaires industriels.

2. KUKA

KUKA est un fabricant allemand de robotique qui a été racheté par le groupe chinois Midea en 2016. L’entreprise propose des solutions robotiques intelligentes incluant l’automatisation complète et des options de contrôle centralisé. KUKA reste un moteur d’innovation et offre des solutions allant de robots simples à des systèmes complets.

KUKA emploie plus de 14 k experts en robotique et réalise plus de 3,2 Mds de ventes annuelles. Son engagement envers la qualité et l’innovation a permis au fabricant de devenir l’un des noms les plus reconnus du marché de la robotique. Attendez-vous à une croissance de ce groupe alors qu’il étend ses activités pour répondre à la demande des consommateurs.

3. HoneyBee Robotics

HoneyBee Robotics est un acteur majeur des secteurs de la défense et de l’exploration spatiale. De manière impressionnante, le groupe a collaboré à plusieurs reprises avec la NASA par le passé. De plus, il travaille actuellement avec des chercheurs pour créer des systèmes d’exploitation minière robotisés capables de fonctionner dans des environnements à faible gravité et plus encore.

Les systèmes d’excavation intelligents de HoneyBee sont déjà utilisés à l’international. Ces produits facilitent le forage et les tests d’échantillons en temps réel sur de vastes zones. L’entreprise fabrique également des robots de défense conçus pour aider les soldats sur le terrain.

Startups qui repoussent les limites

Bon nombre des développements dans le secteur de la robotique proviennent du nombre croissant de startups qui entrent sur le marché. Ces entreprises souhaitent porter l’expérience robotique à de nouveaux sommets grâce à leurs stratégies créatives et leurs modèles économiques.

OutRider

Passer la tondeuse sur votre pelouse lors d’une chaude journée d’été peut sembler une torture, surtout si vous avez un jardin qui nécessite un entretien constant pour rester présentable. OutRider résout ce problème en introduisant des robots d’aménagement paysager intelligents.

Ces appareils créent une structure de site en temps réel, leur permettant d’effectuer des manœuvres complexes. Ils peuvent même travailler en équipe pour accomplir de gros travaux plus rapidement. Ceux qui dépensent des milliers d’euros pour entretenir leurs vastes propriétés ou entreprises trouveront ces solutions d’aménagement paysager robotisées à haute efficacité très pertinentes.

Les robots entrent en action

Il est intéressant de constater que le concept d’utilisation des ressorts a refait surface comme l’une des meilleures façons de faire progresser la robotique. Ces systèmes incarnent l’esprit d’ingénierie et pourraient faciliter la vie de millions de personnes. Pour ces raisons, il faut féliciter ces chercheurs ainsi que tous ceux qui les accompagnent dans la réalisation de robots à faible consommation.