Muscles artificiels - plus légers, plus robustes, plus s?rs

De nombreux roboticiens et roboticiennes rêvent de ne pas construire des robots uniquement avec du métal ou d'autres matériaux et moteurs durs, mais de les rendre plus souples et adaptables. Les robots souples pourraient interagir différemment avec leur environnement, ils pourraient par exemple amortir les chocs comme les membres humains ou saisir quelque chose avec sensibilité. Ce serait également intéressant d'un point de vue énergétique, car les entra?nements actuels nécessitent généralement beaucoup d'énergie pour pouvoir maintenir une position, alors que les systèmes souples peuvent également bien stocker l'énergie. Quoi de plus naturel donc que de prendre le muscle humain comme modèle et d'essayer de reproduire ce système ?

Le fonctionnement des muscles artificiels s'inspire donc de la biologie. Comme leur équivalent naturel, les muscles artificiels se contractent sous l'effet d'une impulsion électrique. Toutefois, les muscles artificiels ne sont pas constitués de cellules et de fibres, mais d'une poche remplie d'un liquide - généralement de l'huile - et dont l'enveloppe contient des électrodes. Si celles-ci re?oivent une tension électrique, elles se contractent et poussent le liquide dans le reste de la poche. La poche se tend et peut par exemple soulever un poids. Une poche représente un court faisceau de fibres musculaires, si on en relie plusieurs, on obtient un élément d'entra?nement complet, également appelé actionneur ou muscle artificiel.

Tension trop élevée

L'idée de développer des muscles artificiels n'est pas nouvelle, sauf qu'il y avait jusqu'à présent un problème majeur dans sa mise en ?uvre : les actionneurs ne fonctionnaient qu'avec une tension énormément élevée, d'environ 6 à 10 mille volts. Cela a plusieurs conséquences. Jusqu'à présent, ils devaient être raccordés à de gros et lourds amplificateurs de tension, ils ne fonctionnaient pas dans l'eau et n'étaient pas sans danger pour l'homme. Robert Katzschmann, professeur de robotique à l'ETH Zurich, Stephan-Daniel Gravert et Elia Varini ont, avec une équipe de recherche de l'université de Zurich, mis au point une nouvelle méthode de mesure. page externeScience Advances ont présenté leur version d'un muscle artificiel qui présente plusieurs avantages à la fois.

Gravert, qui travaille dans le laboratoire de Katzschmann en tant qu'assistant scientifique, a con?u une nouvelle enveloppe pour le sac. Les chercheurs appellent ces nouveaux muscles artificiels des actionneurs Halve, une abréviation pour "hydraulically amplified low-voltage electrostatic", c'est-à-dire en fran?ais un actionneur électrostatique à basse tension amplifié par voie hydraulique. "Sur d'autres actionneurs, les électrodes se trouvent à l'extérieur de l'enveloppe. Dans le n?tre, l'enveloppe est composée de différentes couches. Nous avons combiné un matériau ferroélectrique hautement perméable, c'est-à-dire capable de stocker des quantités relativement élevées d'énergie électrique, avec une couche d'électrodes, puis nous avons recouvert cette dernière d'une enveloppe polymère qui présente de très bonnes propriétés mécaniques et rend le sac plus stable", explique Gravert. Cela a également permis aux chercheurs de réduire la tension nécessaire, car la permittivité beaucoup plus élevée du matériau ferroélectrique autorise de grandes forces malgré une faible tension. Gravert et Varini n'ont d'ailleurs pas seulement participé au développement de l'enveloppe des actionneurs Halve, ils l'ont également fabriquée eux-mêmes en laboratoire pour deux robots concrets.

Un préhenseur et un poisson montrent ce dont le muscle est capable

Dans leur étude, les chercheurs illustrent le potentiel de ce nouveau développement par deux exemples robotiques. Un préhenseur de 11 centimètres de haut a deux doigts qui sont déplacés chacun par trois poches de l'actionneur montées en série. Il est alimenté à cet effet par un petit bloc d'alimentation de 900 volts fonctionnant sur batterie. La batterie et le bloc d'alimentation ne pèsent ensemble que 15 grammes. L'ensemble du préhenseur, y compris l'électronique de puissance et de régulation, ne pèse que 45 grammes. Le préhenseur peut saisir un objet en plastique lisse avec suffisamment de force pour supporter son propre poids lorsque l'objet est soulevé dans les airs à l'aide d'une ficelle. "Cet exemple montre très bien comment, petit, léger et efficace, ces actionneurs sont. Cela signifie également que nous avons fait un grand pas en avant vers notre objectif de créer des systèmes intégrés actionnés par des muscles", se réjouit Katzschmann.

Le deuxième objet est un poisson d'à peine 30 centimètres de long qui nage avec souplesse dans l'eau. Le poisson-robot se compose d'une tête qui contient l'électronique et d'un corps flexible sur lequel sont fixés les actionneurs Halve. Ces actionneurs se déplacent alternativement de manière rythmique, ce qui crée le mouvement de nage. Le poisson sans fil passe ainsi de l'immobilité à une vitesse de trois centimètres par seconde en 14 secondes - et cela, notons-le, dans l'eau courante normale.

Imperméable et se refermant automatiquement

C'est important, car cela montre une autre innovation des actionneurs Halve : comme les électrodes ne sont plus placées sans protection à l'extérieur de la gaine, les muscles artificiels sont désormais étanches et peuvent être utilisés dans des liquides conducteurs. "Avec le poisson, nous pouvons aussi illustrer un avantage général de ces actionneurs - les électrodes sont protégées de l'environnement et, inversement, l'environnement est également protégé des électrodes. On peut donc faire fonctionner ces actionneurs électrostatiques dans l'eau ou les toucher par exemple", explique Katzschmann. Et la structure en couches des sacs présente un autre avantage : les nouveaux actionneurs sont beaucoup plus robustes que les autres muscles artificiels.

Dans l'idéal, les sachets doivent se déplacer beaucoup et rapidement. Le moindre défaut de production - par exemple un grain de poussière entre les électrodes - peut entra?ner un claquage électrique - une sorte de mini coup de foudre. "Sur les modèles précédents, cela signifiait que l'électrode br?lait, qu'un trou se formait dans l'enveloppe, que le liquide s'échappait et que l'actionneur était défectueux", explique Gravert. Avec les actionneurs Halve, ce problème est résolu, car un seul trou se referme quasiment de lui-même gr?ce à la couche extérieure de plastique protectrice. La plupart du temps, le sac reste entièrement fonctionnel même après un coup dur.

Les deux chercheurs se réjouissent visiblement d'avoir fait avancer le développement de muscles artificiels d'un pas décisif, mais ils sont aussi réalistes. Katzschmann déclare : "Il faut maintenant amener cette technologie à maturité industrielle, ce que nous ne pouvons pas faire ici dans le laboratoire de l'ETH. Sans vouloir trop en dire, je peux toutefois dire que des entreprises sont déjà intéressées à collaborer avec nous". Il serait par exemple possible que les muscles artificiels soient un jour utilisés dans des robots d'un nouveau genre, des prothèses ou des "wearables", c'est-à-dire des technologies portées sur le corps.