Les élastomères intelligents rendent les robots du futur plus sensibles

Robots souples - les élastomères intelligents rendent les robots du futur plus sensibles

Gianluca Rizzello avec des « élastomères diélectriques ». Les chercheurs de Sarrebruck utilisent ce matériau composite pour créer des muscles et des nerfs artificiels à utiliser dans des bras de robot flexibles. Crédit : Oliver Dietze

Imaginez des instruments chirurgicaux flexibles qui peuvent se tordre et tourner dans toutes les directions, comme des bras de poulpe miniatures, ou que diriez-vous de tentacules de robots grands et puissants qui peuvent travailler en étroite collaboration et en toute sécurité avec les travailleurs humains sur les lignes de production. Une nouvelle génération d’outils robotiques commence à être réalisée grâce à une combinaison de « muscles » forts et de « nerfs » sensibles créés à partir de matériaux polymères intelligents. Une équipe de recherche dirigée par les experts en matériaux intelligents, le professeur Stefan Seecke et le professeur junior Gianluca Rizzello de l’Université de la Sarre, explore les aspects fondamentaux de ce domaine passionnant de la robotique douce.

Dans l’usine du futur, l’homme et la machine travailleront côte à côte, en harmonie, en équipe, en unissant leurs forces chaque fois que nécessaire, comme si le robot collaborateur était fait de chair et de sang. Alors que des robots collaboratifs (« cobots ») sont déjà déployés dans des lignes de production industrielles, un véritable travail d’équipe main dans la main impliquant des robots et leurs homologues humains est encore loin. Le problème réside dans la proximité physique des collaborateurs humains, dont les actions, contrairement à celles d’un robot, ne suivent pas des algorithmes prévisibles. Un travailleur humain peut devenir fatigué ou distrait et peut agir soudainement ou même illogiquement en conséquence. Cela a des implications claires pour la sécurité et explique pourquoi les bras de robot actuellement utilisés sur les lignes de production sont souvent logés dans des cages. Pour quiconque s’approche de trop près, les choses peuvent devenir dangereuses. En règle générale, les robots industriels sont de grandes machines lourdes. Mais ils sont également puissants, rapides et agiles et sont utilisés pour un large éventail d’opérations, comme le soudage, l’assemblage, la peinture, l’empilage et le levage. Cependant, les mouvements qu’ils exécutent sont entièrement dictés par les programmes qui les contrôlent. Et si quelqu’un se met sur son chemin ou s’approche trop près, les conséquences peuvent être graves.

L’équipe de l’Université de la Sarre et du Centre de technologie mécatronique et d’automatisation (ZeMA) de Sarrebruck travaillent sur de nouveaux types de bras de robot intelligents. « Notre technologie est basée sur des systèmes polymères intelligents et nous permet de créer de nouveaux outils robotiques souples plus légers, plus maniables et plus flexibles que les composants rigides utilisés aujourd’hui », explique Seecke. Une poussée accidentelle de l’un de ces bras robotiques du futur ressemblerait plus à être poussé par un collègue humain (et moins susceptible de vous faire atterrir à l’hôpital).

Le matériau utilisé pour ces nouveaux bras de robot souples est un type spécial de polymère appelé « élastomère diélectrique ». Les chercheurs de Sarrebruck utilisent ce matériau composite pour créer des muscles et des nerfs artificiels. Les propriétés particulières des élastomères diélectriques permettent de développer des systèmes inspirés des conceptions ingénieuses de la nature. Ces élastomères peuvent être comprimés, mais peuvent ensuite être étirés pour retrouver leur forme d’origine. “Nous imprimons des électrodes sur les deux côtés du matériau élastomère. Lorsque nous appliquons une tension, les deux électrodes s’attirent, comprimant le polymère et provoquant son expansion latérale”, explique le Dr Rizzello, professeur junior pour les systèmes adaptatifs à base de polymères. . Le chercheur italien travaille dans l’équipe de Seecke depuis 2016. L’élastomère peut ainsi être amené à se contracter et à se détendre, tout comme le tissu musculaire. « Nous exploitons cette propriété lors de la conception de nos actionneurs », explique Rizzello. En faisant varier avec précision le champ électrique, les ingénieurs peuvent faire en sorte que l’élastomère exécute des vibrations à haute fréquence ou des mouvements de flexion variables en continu ou même reste immobile dans une position intermédiaire particulière souhaitée.

Les chercheurs combinent ensuite un grand nombre de ces petits « muscles » pour créer un bras robotique flexible. Lorsqu’ils sont combinés de cette manière pour former un tentacule de robot, l’interaction entre les muscles produit des mouvements qui imitent ceux d’un bras de pieuvre qui peut se tordre et tourner dans toutes les directions. Contrairement aux membres robotiques lourds et rigides actuellement utilisés, qui, comme les humains, ne peuvent exécuter des mouvements que dans certaines directions, ces nouveaux tentacules de robots sont libres de se déplacer dans presque toutes les directions. Rizzello et son doctorant Johannes Prechtl ont récemment remporté le prix du meilleur article lors de la conférence RoboSoft 2021 pour leurs travaux sur le développement d’un prototype de tentacule à base d’élastomère diélectrique, l’une des nombreuses distinctions remportées par l’équipe de recherche du professeur Seekeke. L’équipe espère que le prototype de tentacule sera entièrement développé dans environ un an.

Lorsqu’il s’agit de transmettre de l’intelligence aux matériaux polymères, Rizzello est en quelque sorte un expert. Il fournit à l’unité de contrôle (c’est-à-dire au « cerveau » du robot) les informations nécessaires pour déplacer le bras de manière intelligente, une tâche très complexe et ambitieuse. « Ces systèmes sont nettement plus complexes que les bras de robot utilisés aujourd’hui. L’utilisation de l’intelligence artificielle pour contrôler les composants à base de polymère est nettement plus difficile que le contrôle des systèmes mécatroniques conventionnels », explique Rizzello. Comme les muscles élastomères ont également des propriétés de capteur, ils peuvent agir comme les nerfs du système, ce qui signifie que le bras du robot n’a pas besoin d’être équipé de capteurs supplémentaires. “Chaque distorsion de l’élastomère, chaque changement de sa géométrie provoque une modification de la capacité du matériau, ce qui permet à l’équipe d’attribuer une valeur de capacité électrique précise à toute déformation spécifique de l’élastomère. En mesurant la capacité, nous savons exactement quelle forme le a adopté l’élastomère, ce qui nous permet d’extraire les données des capteurs », explique Rizzello.

Ces données quantitatives peuvent ensuite être utilisées pour modéliser et programmer précisément le mouvement du bras en élastomère. Les travaux de recherche de Rizzello sont axés sur le développement d’algorithmes intelligents capables d’entraîner ces nouveaux tentacules de robots à se déplacer et à répondre de la manière requise. “Nous essayons de découvrir quelles propriétés physiques sont responsables du comportement de ces polymères. Plus nous en savons, plus nous pouvons concevoir avec précision les algorithmes pour contrôler les muscles élastomères”, explique le Dr Rizzello.

La technologie développée en Sarre sera évolutive. Il peut être utilisé pour créer des tentacules miniatures pour les instruments médicaux ou pour fabriquer de grands bras de robot pour des applications industrielles. Mais contrairement aux bras de robot lourds utilisés aujourd’hui, les membres de robot construits à partir d’élastomères intelligents seront beaucoup plus légers. “Nos bras de robot n’ont pas besoin d’être entraînés par des moteurs ou par des systèmes hydrauliques ou pneumatiques – ils peuvent être alimentés simplement par l’application d’un courant électrique. Les muscles en élastomère peuvent également être produits dans des formes qui répondent aux exigences d’une application particulière Et ils consomment très peu d’énergie électrique. Selon la capacité, les courants électriques qui circulent sont de l’ordre du microampère. Ce type de technologie de robot doux est très prometteur pour l’avenir car il est à la fois économe en énergie et rentable à fabriquer, ” dit Seekeke en résumé.


Bras de robot avec la flexibilité d’une trompe d’éléphant


Plus d’information:
Julian Kunze et al, Conception, fabrication et caractérisation d’actionneurs en élastomère diélectrique laminé mince, sans noyau, Actionneurs (2021). DOI : 10.3390 / act10040069

Fourni par l’Université de la Sarre

Citation: Les élastomères intelligents rendent les robots du futur plus sensibles (2021, 22 juin) récupéré le 22 juin 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-06-smart-elastomers-robots-future-touchy-feely .html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.