Des chercheurs développent un nouveau système flexible pour créer une robotique douce

Petites bulles : des chercheurs développent un nouveau système flexible pour créer une robotique douce

Des chercheurs de Princeton ont inventé le moulage à bulles, une nouvelle façon de fabriquer des robots souples à l’aide de “ballons fantaisie” qui changent de forme de manière prévisible lorsqu’ils sont gonflés à l’air.

Le nouveau système consiste à injecter des bulles dans un polymère liquide, à laisser le matériau se solidifier et à gonfler le dispositif résultant pour le faire plier et bouger. Les chercheurs ont utilisé cette approche pour concevoir et créer des mains qui agrippent, une queue de poisson qui s’agite et des bobines slinky qui récupèrent une balle. Ils espèrent que leur méthode simple et polyvalente, publiée le 10 novembre dans la revue La nature, accélérera le développement de nouveaux types de robots mous.

Les robots rigides traditionnels ont de multiples utilisations, comme dans la fabrication de voitures. “Mais ils ne pourront pas tenir vos mains et vous permettre de vous déplacer quelque part sans vous casser le poignet”, a déclaré Pierre-Thomas Brun, professeur adjoint de génie chimique et biologique et chercheur principal de l’étude. “Ils ne sont pas naturellement conçus pour interagir avec les choses molles, comme les humains ou les tomates.”

Les robots souples utilisent des matériaux plus souples et plus souples, ce qui les rend souhaitables pour les applications nécessitant un toucher doux. Ils peuvent un jour être utilisés pour récolter des produits, saisir des articles délicats sur un tapis roulant ou prodiguer des soins personnels. Ils peuvent également être utiles dans les soins de santé, comme dans les combinaisons vestimentaires portables pour la rééducation ou les dispositifs implantables qui s’enroulent autour du cœur pour l’aider à battre.

L’un des défis de la conception de robots mous est de contrôler leur étirement et leur déformation, ce qui dicte leur façon de se déplacer. Tous les robots ont des composants qui provoquent des mouvements, appelés actionneurs. Contrairement aux robots rigides qui se déplacent de manière fixe en fonction de leurs articulations, les matériaux des robots mous ont le potentiel de se déplacer et de s’étendre d’un nombre infini de façons.

La coulée de bulles offre un moyen simple et flexible de créer des actionneurs pour des robots mous en utilisant les règles de base de la mécanique des fluides, la physique des fluides. La méthode utilise un polymère liquide appelé élastomère, qui durcit pour devenir un matériau caoutchouteux et élastique. Il est injecté dans un moule aussi simple qu’une paille ou une forme plus complexe, comme une spirale ou une palme. Ensuite, les chercheurs injectent de l’air dans l’élastomère liquide pour créer une longue bulle sur toute la longueur du moule. Grâce à la gravité, la bulle monte lentement vers le haut tandis que l’élastomère s’écoule vers le bas. Une fois que l’élastomère a durci, il peut être retiré du moule et gonflé à l’air, ce qui provoque l’étirement du côté mince avec la bulle et l’enroulement sur la base plus épaisse.

En contrôlant une poignée de facteurs – l’épaisseur de l’élastomère recouvrant le moule, la vitesse à laquelle l’élastomère se dépose au fond et le temps qu’il faut pour durcir – les chercheurs peuvent dicter la façon dont l’actionneur résultant se déplacera. En d’autres termes, “la mécanique des fluides fait le travail”, a déclaré Brun.

“Si on lui laisse plus de temps pour s’égoutter avant de durcir, le film en haut sera plus fin. Et plus le film est fin, plus il s’étirera lorsque vous le gonflerez et provoquera une plus grande flexion globale”, a expliqué le premier auteur Trevor Jones, diplômé étudiant en génie chimique et biologique.







L’équipe de recherche a utilisé le moulage à bulles pour créer une robotique souple capable de saisir et de soulever une balle lorsqu’elle est gonflée à l’air. Crédit : Université de Princeton

Les chercheurs ont réussi à lancer des “mains” en forme d’étoile qui agrippent doucement une mûre, une bobine qui se contracte comme un muscle et même un ensemble de “doigts” qui se recroquevillent un à un lorsque l’ensemble du système est gonflé, comme s’ils jouaient du piano.

Les actionneurs de cet article se déforment lorsqu’ils sont gonflés à l’air, mais d’autres systèmes robotiques souples utilisent des champs magnétiques, des champs électriques ou des changements de température ou d’humidité.

Une grande partie du travail consistait à déterminer comment les robots se comporteraient une fois gonflés afin que les chercheurs puissent concevoir des actionneurs souples avec des mouvements spécifiques. Le co-auteur Etienne Jambon-Puillet, chercheur postdoctoral dans le groupe de Brun, a travaillé avec Jones pour développer une simulation informatique du système.

“Nous pouvons prédire ce qui se passera en utilisant une équation simple que tout le monde peut utiliser”, a déclaré Jambon-Puillet. “Nous comprenons très bien maintenant ce qui se passe lorsque nous gonflons ces matériaux en forme de tube.”

Un avantage majeur du moulage à bulles est qu’il ne nécessite pas d’imprimantes 3D, de découpeurs laser ou d’autres outils coûteux généralement utilisés dans la robotique douce. Le système est également évolutif. Il a le potentiel de produire des actionneurs de plusieurs mètres de long avec des caractéristiques aussi fines que 100 microns, presque aussi petites qu’un cheveu humain.

“Ce qui est vraiment intelligent, c’est cette idée de façonner la structure simplement par le mouvement naturel des fluides”, a déclaré François Gallaire, professeur de dynamique des fluides à l’EPFL à Lausanne, en Suisse, qui n’était pas impliqué dans la recherche. “Ces processus vont fonctionner à de nombreuses échelles différentes, y compris pour de très petites choses. C’est excitant car le moulage de ces tubes avec des méthodes de fabrication typiques pourrait être très difficile, il est donc possible de fabriquer de très petits tubes.”

Malgré sa flexibilité, la coulée de bulles a ses limites. Jusqu’à présent, les chercheurs ont réussi à forcer une bulle à travers seulement quelques mètres de tube rempli d’élastomère. De plus, un surgonflage peut faire éclater les ballons. “L’échec est assez catastrophique”, a déclaré Jones.

Ensuite, le groupe utilisera son système pour créer des actionneurs plus complexes et explorer de nouvelles applications. Ils s’intéressent à la conception d’actionneurs qui se déplacent ensemble en ondes séquentielles, comme les pieds ondulants d’un mille-pattes en marche. Une autre possibilité consiste à créer des actionneurs avec des chambres qui se contractent et se détendent alternativement en utilisant une seule source de pression pour les gonfler, imitant les battements du cœur humain.

“Nous comprenons assez bien ce problème au niveau de la physique”, a déclaré Jones, “donc maintenant la robotique peut vraiment être explorée.”


Composants souples pour la prochaine génération de robotique souple


Plus d’information:
Pierre Brun, Bubble casting soft robotique, La nature (2021). DOI : 10.1038 / s41586-021-04029-6. www.nature.com/articles/s41586-021-04029-6

Fourni par l’Université de Princeton

Citation: Petites bulles : des chercheurs développent un nouveau système flexible pour créer une robotique douce (2021, 10 novembre) récupéré le 10 novembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-11-tiny-flexible-soft-robotics.html

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