La peau artificielle pourrait donner aux robots un sens du toucher similaire à celui des humains

Aider les robots à se sentir plus humains

Représentation schématique d’un capteur : une force agissant sur la perle (gris) déforme la membrane connectée (rouge), modifiant la capacité des électrodes (bleu). Crédit : ETH Zurich / Johannes Weichart

L’une des nombreuses qualités humaines particulières est la capacité de manipuler des objets avec compétence et précision. Tout cela est dû à notre sens du toucher, qui est particulièrement aigu au bout de nos doigts. À l’aide de nos mains, nous sommes capables d’explorer la forme et la composition des objets et de sentir la texture de leur surface, et tout cela sans jamais les regarder.

Notre sens du toucher est incroyablement raffiné. Essayez simplement de faire en sorte qu’un robot atteigne un degré de nuance similaire. Les robots de production, par exemple, sont capables de saisir et de déplacer des objets avec une dextérité impressionnante. Pour ce faire, cependant, ils doivent d’abord savoir où se trouve l’objet ou ils ont besoin d’informations visuelles supplémentaires pour les aider à s’orienter. Idéalement aussi, ils doivent connaître la solidité d’un objet et sa composition avant de le saisir.

Des centaines de capteurs

Johannes Weichart a une idée qui pourrait rendre les robots beaucoup plus aptes à manipuler des objets. Weichart, doctorant dans le groupe Micro- et Nanosystems (MNS) de l’ETH Zurich, a développé une peau artificielle qui émule le sens du toucher d’un doigt humain. Il croit que cela peut doter les robots de la capacité de toucher et de ressentir. De plus, la peau artificielle est souple, ce qui signifie qu’elle peut être utilisée pour recouvrir des matériaux mous et de forme inégale, par exemple une pince robotique en forme de doigt humain.

Comme son équivalent humain, la peau artificielle de Weichart est équipée d’un large éventail de récepteurs. “Vous avez besoin d’environ un capteur par millimètre carré”, explique-t-il. Chaque capteur comprend différentes couches. Deux d’entre eux sont une membrane conductrice et des électrodes sous-jacentes, que des ressorts maintiennent à une distance de trois à quatre micromètres. Les changements de distance entre eux provoquent des changements dans un signal électrique capté par les électrodes.






Crédit : ETH Zürich

Sens du toucher raffiné

Une petite perle est reliée à la membrane conductrice. Lorsqu’une pression est appliquée sur le cordon, la membrane se déforme et, avec elle, le signal mesuré par le capteur.

La moitié des capteurs sont équipés de trois électrodes au lieu d’une. Ceux-ci mesurent non seulement la quantité de force appliquée au cordon en un point quelconque, mais également l’angle d’application. Cela donne à la peau un sens du toucher beaucoup plus nuancé. “Cela signifie que vous pouvez sentir la qualité et la texture d’une surface et reconnaître quand un objet glisse sur la surface de la peau en échantillonnant les capteurs à des fréquences suffisamment élevées”, explique Weichart.

Trop de données brutes

Weichart a passé les trois premières années de ses études doctorales à démontrer que son idée fonctionne en principe. L’enjeu est désormais de rendre la peau plus robuste et, surtout, adaptée aux applications concrètes. Cela nécessite encore quelques travaux. “Pour pouvoir utiliser la peau artificielle dans un contexte quotidien, les capteurs nécessitent une couche protectrice que nous avons développée”, explique Weichart. “Et nous devons également simplifier radicalement le signal de sortie. Toutes ces données d’entrée brutes submergeraient un robot. De plus, même les humains ne perçoivent pas la sortie de chaque récepteur individuel. Nous enregistrons simplement l’impression globale.”

Malgré les travaux à venir, le projet s’annonce déjà prometteur. Il n’est donc pas étonnant que Weichart ait été parmi les nominés pour le prix Spark, qui a été présenté la semaine dernière.

Aider les robots à se sentir plus humains

Image au microscope électronique d’un capteur montrant la membrane et la perle qui y est attachée. Crédit : ETH Zurich / Johannes Weichart

Approche non conventionnelle

Weichart a tendance à privilégier une approche du champ gauche, comme le révèle volontiers son bureau. Contrairement aux espaces de travail fonctionnels de ses camarades, le sien est littéralement entouré d’une mini jungle de plantes d’intérieur.

Il n’a pas tardé à s’écarter de la suggestion initiale de son superviseur, Christofer Hierold, et de son conseiller, Cosmin Roman. Leur idée était de développer des capteurs tactiles à base de silicium. Mais Weichart a choisi d’intégrer les capteurs dans un substrat flexible. De cette façon, il sera plus facile de les monter sur des surfaces molles et inégales. “Mes conseillers étaient un peu sceptiques au début”, sourit-il. “Mais, rétrospectivement, je pense que c’était la bonne décision!”

De la puissance de fusion à la technologie des capteurs

En fin de compte, ce sont des problèmes de bureaucratie qui ont poussé Weichart vers la peau artificielle. Fraîchement diplômé de l’ETH Zurich avec un diplôme en génie mécanique, il a d’abord rejoint la société Evatec AG, où il a travaillé sur les procédés plasma pour le revêtement et la gravure de circuits intégrés. Pourtant, au bout de trois ans, le moment semble venu de se remettre à la recherche.

Son travail dans l’industrie avait suscité un intérêt pour la technologie de fusion. “Mais, comme je viens du Liechtenstein, il était difficile pour moi d’être pris en considération pour les programmes de recherche nationaux”, explique-t-il. À la recherche d’une référence, il se tourna vers Hierold, qui avait supervisé sa thèse de maîtrise. À sa grande joie, Hierold lui a proposé de démarrer son projet sur la technologie des capteurs tactiles.

Aider les robots à se sentir plus humains

La peau pliable peut être montée sur n’importe quelle surface. Les minuscules perles qui exercent une pression sur la membrane de détection sont clairement visibles. Crédit : ETH Zurich / Johannes Weichart

“Mon expérience dans l’industrie s’est avérée très précieuse”, déclare Weichart. “Il n’est pas toujours nécessaire de réinventer la roue. En fait, il est souvent préférable de s’appuyer sur une technologie déjà connue.” Plutôt que de viser la perfection académique, il vise la pertinence pratique : “C’est ce qui me motive.” Et s’appuyer sur une technologie établie peut être un avantage lorsqu’il s’agit de commercialiser un nouveau développement, dit-il. “En tant que start-up, vous ne pouvez jamais contrôler l’intégralité de la chaîne de processus. Il y a toujours certaines parties que vous devez externaliser.”

Pour l’instant, ses ambitions entrepreneuriales sont en suspens. “J’ai encore environ un an en tant que doctorant, puis je commencerai à penser à mon prochain déménagement.” S’il devait lui-même faire avancer le projet – peut-être en tant que boursier pionnier – il devrait réfléchir très attentivement au domaine sur lequel se concentrer. Il espionne des applications potentielles dans une variété de domaines, y compris la robotique médicale, la télérobotique, la robotique d’entrepôt et aussi les prothèses. Mais il n’y a aucun moyen qu’il puisse rendre justice à toutes ces options à ce stade de développement.

Les yeux sur le prix

Rester concentré pourrait bien être son plus grand défi au cours des prochains mois. “Je ne suis pas obsédé par les détails”, admet-il, “et je peux rapidement commencer à chercher de nouvelles idées. Mais cela peut vite devenir incontrôlable.” En l’état, il a déjà beaucoup à faire : microtechnique, électronique, mécanique de précision, traitement des données, intégration de matériaux et reconnaissance de formes par l’IA, tous ces domaines retiendront encore longtemps son attention.

Une activité régulière en dehors du laboratoire l’aide à garder les yeux sur le prix. “Je fais du vélo et du ski de randonnée dans les montagnes, je nage dans le lac en hiver, et je fais de la boxe et des arts martiaux mixtes pour améliorer ma coordination et ma confiance en moi”, dit-il. “Cela me libère la tête et m’aide à me recentrer sur le travail en cours.”


La peau électronique anticipe et perçoit le toucher dans différentes directions pour la première fois


Citation: La peau artificielle pourrait donner aux robots un sens du toucher similaire à celui des humains (2022, 3 mai) récupéré le 3 mai 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-05-artificial-skin-robots-similar-humans.html

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