La viscosité permet des mouvements complexes pour les robots mous

Nov 20, 2023

André Corselli

Une équipe de chercheurs de Cornell, dirigée par la professeure adjointe Kirstin Petersen, a conçu un nouveau système simple d'actionneurs à fluide qui permettent aux robots mous de réaliser des mouvements plus complexes. L'équipe l'a fait en tirant parti de ce qui avait auparavant entravé le mouvement de ces robots : la viscosité.

Le laboratoire avait exploré des moyens de prendre les capacités et les comportements cognitifs d'un robot et de les décharger du "cerveau" sur le corps - via ses réflexes mécaniques et sa capacité à tirer parti de son environnement. En réduisant le besoin de calcul explicite, le robot peut devenir plus simple, plus robuste et moins coûteux à fabriquer.

"Les robots mous ont une structure très simple mais peuvent avoir des fonctionnalités beaucoup plus flexibles que leurs cousins ​​rigides", a déclaré Petersen. "Ils sont en quelque sorte le robot intelligent incarné ultime. La plupart des robots mous de nos jours sont pilotés par des fluides. Dans le passé, les gens ont cherché comment nous pouvions en avoir plus pour notre argent en intégrant des fonctionnalités dans le matériau du robot, comme l'élastomère. Au lieu de cela, nous nous sommes demandé comment nous pouvions faire plus avec moins en utilisant la façon dont le fluide interagit avec ce matériau. "

Traditionnellement, l'actionneur hydraulique d'un robot souple fonctionne lorsqu'un fluide sous pression uniforme s'écoule à travers une vessie ou un soufflet en élastomère. Le principal point d'achoppement est que si le flux interne de l'actionneur est visqueux, la pression s'égalise différemment, ce qui ralentit le mouvement de l'actionneur et ralentit le robot.

L'équipe de Petersen est partie d'un modèle similaire, sauf qu'il a connecté une série de soufflets en élastomère avec des tubes minces, exécutés dans une paire de colonnes parallèles, le tout dans un système fermé. Cette méthode permet des mouvements antagonistes. Les minuscules tubes induisent de la viscosité, ce qui conduit à une pression uniformément répartie, pliant l'actionneur dans différentes contorsions et modèles de mouvement. Ce serait normalement un problème, mais l'équipe en a fait un avantage.

L'auteur principal Yoav Matia a développé un modèle descriptif complet qui pourrait prédire les mouvements possibles de l'actionneur et anticiper comment différentes pressions d'entrée, géométries et configurations de tubes et de soufflets les réalisent, le tout avec une seule entrée de fluide.

"Le rôle des matériaux structurels inertes d'aujourd'hui sera très différent dans nos futures machines", a déclaré Matia. "Il consiste à intégrer l'agence et le calcul dans les matériaux - organiques au matériau, au processus de fabrication et au phénomène physique régissant le système - leur permettant d'agir indépendamment par le biais de mécanismes physiques et d'une architecture interne. Ce travail représente un nouveau cadre évolutif pour manifester le contrôle du matériau par le matériau, là où la matière structurelle autrement inerte agit en son propre nom. "

Pour démontrer la technologie, l'équipe a construit un robot mou à six pattes avec deux pompes à seringue sur le dessus, qui s'accroupit et marche à 0,05 longueur de corps par seconde.

Automatisation de la conception de robots souples

Un outil aide à concevoir des robots souples capables de se plier et de se tordre

"Nous avons détaillé la gamme complète de méthodes par lesquelles vous pouvez concevoir ces actionneurs pour de futures applications", a déclaré Petersen. "Par exemple, lorsque les actionneurs sont utilisés comme jambes, nous montrons qu'en croisant simplement un ensemble de tubes, vous pouvez passer d'une démarche semblable à celle d'une autruche, qui a une position très large, à un trot semblable à celui d'un éléphant."

"Il s'agit essentiellement d'un tout nouveau sous-domaine de la robotique douce", a-t-elle ajouté. "Explorer cet espace sera super intéressant."

Voici une interview de Tech Briefs avec Petersen, éditée pour plus de clarté et de longueur.

Briefs techniques: Qu'est-ce qui a inspiré l'utilisation de la viscosité ?

Peterson: Les robots logiciels sont ce nouveau type de robots qui sont vraiment avantageux pour des applications particulières où des degrés de liberté infinis sont utiles - la capacité de se déplacer de manière infinie, et la capacité de se déplacer en toute sécurité autour des objets, et la capacité d'être conforme en termes de perturbations externes et des choses comme ça.

La plupart des robots mous sont entraînés par des fluides. Dans le passé, les gens disaient : « Je veux pouvoir avoir ces degrés de liberté infinis, mais c'est vraiment difficile de les contrôler. J'avais des contrôleurs vraiment avancés, car si je veux pousser le robot quelque part, j'ai besoin d'un autre type de contrôleur. Ainsi, le grand objectif de ces dernières années a été : « Comment simplifions-nous la complexité du contrôle ? » En règle générale, les gens regardent le matériau pour cela - comment pouvons-nous mettre un contrôle supplémentaire sur les polymères afin que les pilotes réels ne deviennent pas si compliqués ?

Nous avons dit : "OK, eh bien, nous avons examiné le matériau, essayons plutôt d'examiner les fluides. Et si, au lieu d'essayer d'éviter la viscosité - ce que les gens font normalement - et si nous l'explorions ?"

Briefs techniques: Combien de temps a pris la construction de votre robot à six pattes et quels ont été les plus grands défis techniques auxquels vous avez dû faire face ?

Peterson : Une fois que nous avons compris comment construire nos actionneurs, assembler le robot a duré environ deux semaines ; c'était très facile. Vraiment, ce qui a pris le plus de temps, c'était juste pour le stabiliser parce que nous utilisons des actionneurs souples.

Ce qui a été le plus dur, ce sont les actionneurs eux-mêmes car nous voulons voir si nous pouvions les créer avec des matériaux très bas de gamme. Et à la fin, nous nous sommes en quelque sorte éloignés de cela et nous avons simplement dit, imprimons-les simplement dans un polymère haut de gamme afin que nous ayons ces soufflets bas et qu'ils fonctionnent.

Mais nous cherchons, à l'avenir, à les imprimer dans le type de machines d'impression à filament standard bas de gamme que les gens ont à la maison afin que vous puissiez simplement créer votre propre actionneur.

Briefs techniques : Marcher et s'accroupir sont les deux permutations actuelles du robot. Que comptez-vous faire d'autre ?

Peterson : Je suis vraiment excité à ce sujet. L'idée est que maintenant, avec un seul pilote - juste cette pompe à seringue - nous pouvons créer n'importe quel nombre de portes. Donc, au-delà d'avoir un robot marcheur, où nous pouvons changer les timbres ou le type de marche en fonction de la surface, imaginez un robot nageur qui peut prendre des brasses, ou il peut reculer s'il inverse son cycle de porte. Vous pouvez imaginer des pinces ; par exemple, essayer de créer un mouvement continu comme visser un écrou autour d'une vis ou n'importe où où nous voulons des mouvements avancés où nous pouvons contrôler à la fois la position et la position dans le temps.

Briefs techniques : Quels sont vos projets d'exploration future ? Des prochaines étapes prévues ?

Peterson : Pour le moment, nous ne pouvons produire des mouvements que de manière continue, donc dynamiquement, il se déplace, mais une fois qu'il revient à l'arrêt, il est toujours dans une version étendue ou rétractée. Nous ne pouvons pas placer la pointe du robot où nous voulons une fois qu'il est immobile. Donc, je suis ravi de coupler cela avec des technologies traditionnelles, comme les vannes et autres, pour avoir toujours des contrôleurs très similaires mais avec un niveau de complexité supplémentaire, afin que nous puissions également obtenir des positions fixes n'importe où dans l'espace de travail de l'actionneur.

Briefs techniques: Avez-vous des conseils à donner aux ingénieurs qui souhaitent concrétiser ou commercialiser leurs idées ?

Peterson : Patience. C'est surprenant le temps qu'il faut pour faire une bonne démo et vérifier qu'elle fonctionne bien. Aussi, bien sûr, osez rêver !