Des robots qui s’inspirent de la nature

À l’Université de Zurich, la nature inspire les roboticiens et leur permet de trouver des solutions simples à des problèmes techniques complexes. C’est le cas pour le développement de prothèses de mains intelligentes.

Main robotisée d'un nouveau genre

Grâce au frottement, cette main robotisée ne nécessite pas un moteur très puissant et est donc plus
légère que les prothèses traditionnelles. (Image: Université de Zurich)

L’«Artificial Intelligence Lab» (AI Lab) de l’Université de Zurich est le paradis des passionnés de bricolage.

Sur les bureaux et les établis se trouvent des fers à souder et tournevis, pistolets de colle chaude, micro-puces et manettes; et par terre, des boîtes remplies de câbles électriques de toutes les couleurs. «Nous fabriquons tous nos robots nous mêmes, d’où ce grand bazar», explique Konstantinos Dermitzakis, doctorant à l’AI Lab. Outre le matériel et les outils nécessaires à la construction des robots, le laboratoire abrite également quelques objets plutôt inhabituels. Parmi ceux-ci, un grand aquarium et un squelette humain en plastique. «Nos recherches s’inspirent souvent de la nature», explique Dermitzakis. Son collègue chercheur a ainsi observé une pieuvre pour ensuite créer un tentacule en silicone dans lequel il a placé douze minuscules capteurs. Avec un ordinateur, il a pu analyser de manière détaillée sa mobilité. Ces observations sont intéressantes pour les roboticiens, car la pieuvre est une championne de la mobilité. Elle est capable de tordre ses tentacules dans pratiquement toutes les directions et jouit d’une liberté de mouvement quasi illimitée. L’étude a révélé que des robots pourraient un jour se déplacer de manière aussi naturelle et en déployant aussi peu d’efforts que leur modèle naturel.

Quand la mécanique remplace la programmation

Au cours de ses millions d’années d’évolution, la nature a déjà relevé de nombreux défis fonctionnels auxquels sont aujourd’hui confrontés les roboticiens.

Dermitzakis prend le robot d’un collègue. «Stumpy» est une construction en forme de T composée de tiges en aluminium, de ressorts en acier, de roues en plastique, de fils en nylon et de deux petits moteurs. Grâce à une tige verticale qui effectue un mouvement de va-et-vient, le robot peut se déplacer d’une manière assez naturelle. Ses membres sont commandés de manière passive et purement mécanique. Des ressorts de traction et des fils en nylon qui passent sur des roues font office de tendons et de muscles. Le mouvement est fluide, la démarche dynamique et humaine. «Stumpy» représente un changement de paradigme dans la robotique: d’habitude, chaque mouvement du robot est commandé par un ordinateur, ce qui nécessite une puissance de calcul élevée et de nombreux moteurs. «Nous voulions simplifier radicalement les systèmes», explique Dermitzakis. Il a donc décidé, avec ses collègues, de créer des membres de robots intelligents. En effet, chez les humains comme chez les animaux, tous les muscles et les tendons ne sont pas commandés de manière centrale par le cerveau, beaucoup de mouvements sont effectués de façon inconsciente et purement mécanique. «Sinon, nous n’aurions même plus la capacité de penser», explique Dermitzakis en riant.

 

Prothèses plus légères grâce au frottement naturel

Dermitzakis a lui-même mis au point ces quatre dernières années une prothèse de main qui devrait un jour être utilisée pour aider les personnes amputées de l’avant-bras. «Les prothèses actuelles peuvent coûter jusqu’à 50’000 francs, sont lourdes et leurs capacités sont limitées», explique le chercheur. Désireux d’améliorer ce système, il s’est mis à étudier la main humaine. Il s’est procuré un doigt à la clinique universitaire et l’a disséqué pour mieux comprendre sa fonctionnalité. Nos doigts sont constitués de minuscules canaux dans lesquelles passent les tendons. Le frottement produit nous permet de maintenir la main fermée en dépensant peu d’énergie. Dermitzakis a transposé ce principe sur une main robotisée en plastique dont les doigts sont activés au moyen de tendons artificiels et d’un moteur. Grâce à cette innovation, la puissance du moteur nécessaire pour prendre un objet est réduite et la nouvelle main plus légère que les prothèses traditionnelles.

La commande fait également l’objet d’une autre innovation: jusqu’à présent, les patients commandaient leur prothèse par le biais d’impulsions dans les fibres musculaires restantes du bras. Ce système est coûteux, peu fiable et souvent frustrant pour celui qui porte la prothèse. La main robotisée de Dermitzakis est donc commandée via les mouvements du moignon. Pour prendre un verre d’eau, il faut plier légèrement le bras afin de transmettre à la prothèse une impulsion qui lui indiquera de prendre le verre. Dermitzakis a effectué des tests en laboratoire avec 22 mouvements de mains qui ont été exécutés correctement dans 98 pour cent des cas. Un mécanisme de feed-back qui permettrait à la personne de sentir ce qu’elle prend devrait être disponible dans le futur. D’ici là, Dermitzakis devra encore «bricoler» sa prothèse en continuant de s’inspirer de Mère Nature.

À l'EPFL, plusieurs groupes de recherche développent des robots inspirés des animaux: chat, serpent, salamandre... Regarde cet article avec de chouettes vidéos!

 

Texte: SATW / Samuel Schläfli
Source: Technoscope 1/14: Robotique. Technoscope est le magazine pour les jeunes de la SATW.

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