Active 3D weaves for load-bearing and damage-resilient locomotion
Cet article présente un cadre général pour la création de structures robotiques tissées en 3D actives qui combinent de manière unique une rigidité axiale élevée pour la capacité de charge, une faible rigidité en flexion pour une actuation efficace et une résilience au niveau du système, leur permettant de se déplacer tout en transportant des charges allant jusqu'à 70 fois leur propre poids et de résister à une compression extrême.
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Les robots mous sont des machines construites à partir de matériaux qui se courbent, s'étirent et s'écrasent plutôt qu'à partir de métal rigide et d'engrenages. Cette flexibilité les rend sûrs au toucher et idéaux pour être portés sur le corps humain, comme une chemise intelligente ou une orthèse médicale. Cependant, cette mollesse même est aussi leur plus grande faiblesse. Parce qu'ils sont si pliables, ils ont du mal à porter des objets lourds ou à résister à des forces puissantes sans s'effondrer. Pendant des décennies, les ingénieurs ont été confrontés à un choix difficile : construire un robot qui soit mou et sûr, ou en construire un assez fort pour soulever des charges lourdes, mais rarement les deux en même temps.
Une équipe de chercheurs a trouvé un moyen de combler ce fossé en se tournant vers l'un des plus anciens métiers de l'humanité : le tissage. Tout comme un fabricant de paniers entrelace des roseaux flexibles pour créer un contenant qui est à la fois léger et solide, ces scientifiques ont tissé de fines bandes de matériau en formes tridimensionnelles capables de bouger, de porter du poids et de survivre à une pression d'écrasement. En intégrant des fils spéciaux qui rétrécissent lorsqu'ils sont chauffés dans ces structures tissées, ils ont créé un nouveau type de robot qui est assez mou pour marcher et diriger, tout en étant assez rigide pour porter des charges bien plus lourdes que lui-même.
Les chercheurs ont commencé par créer un bloc de construction fondamental unique qu'ils appellent un « coin tissé ». Imaginez prendre trois groupes de rubans fins et plats et les entrelacer selon des angles droits pour former une forme de coin, semblable au coin d'un panier tressé. Pour faire bouger ce coin, ils ont passé deux fils enroulés faits d'un alliage métallique spécial à travers la structure. Ces fils sont conçus pour se contracter, ou raccourcir, lorsqu'un courant électrique les chauffe. Lorsque les chercheurs appliquaient un petit courant électrique, les fils chauffaient et rétrécissaient, tirant le coin tissé vers une nouvelle forme. Quand le courant s'arrêtait et que les fils refroidissaient, le coin revenait à sa forme originale.
En disposant soigneusement les fils, l'équipe a découvert qu'elle pouvait faire marcher ce coin. Lorsque les fils d'un côté chauffaient, le coin se repliait de telle sorte que les pattes arrière glissaient vers l'avant tandis que la patte avant restait ancrée. Lorsque les fils refroidissaient, la patte avant glissait vers l'avant tandis que les pattes arrière maintenaient leur position. En répétant ce cycle de chauffage et de refroidissement, le coin avançait par une série de pas. Les chercheurs ont également montré qu'ils pouvaient diriger le coin en chauffant un seul fil, provoquant la rotation de la structure pendant son mouvement. Cette unité simple prouvait qu'une structure tissée pouvait être à la fois assez flexible pour bouger et assez forte pour supporter du poids.
Pour prouver que ce concept pouvait être transposé à plus grande échelle, l'équipe a assemblé ces coins tissés en des robots plus grands et plus complexes. Ils ont construit un cube qui se déplace en rétrécissant et en s'étendant sur l'ensemble de son corps, ainsi que des créatures à deux, trois et quatre pattes qui marchent en pliant leurs membres. Chacun de ces robots était construit à partir du même matériau tissé et des mêmes fils thermoréactifs. Les résultats étaient frappants. Alors que le coin tissé de 10 grammes pouvait porter une charge 25 fois son propre poids, la famille élargie de ces robots tissés a démontré la capacité de porter des charges allant jusqu'à soixante-dix fois leur propre poids tout en continuant à avancer. Par exemple, un robot pesant seulement dix grammes pouvait porter une charge de 250 grammes, soit environ le poids d'une petite pomme, sans perdre sa capacité à marcher.
La découverte la plus surprenante fut peut-être la manière dont ces robots survivaient à des abus extrêmes. Les chercheurs ont soumis les coins tissés à des forces d'écrasement treize cents fois leur propre poids, les aplatissant complètement. Au lieu de se briser ou de rester écrasés, les robots rebondissaient. Les rubans tissés se courbaient et se pliaient d'une manière qui absorbait le choc sans déformation permanente, et les fils métalliques, qui avaient été étirés et tordus, retrouvaient leur forme originale une fois la pression relâchée. Après avoir été écrasés et aplatis plusieurs fois, les robots continuaient à marcher sur les mêmes trajectoires qu'auparavant, ne montrant aucune perte de performance.
Le secret de cette résilience réside dans la conception même du tissage. Contra à un bloc solide de matériau qui pourrait se fissurer sous la pression, la structure tissée permet à ses brins individuels de se courber et de se plier localement, répartissant la force dans l'ensemble de la forme. C'est similaire à la façon dont un panier tissé peut être pressé pour devenir plat puis reprendre sa forme, alors qu'un gobelet en plastique solide se fissurerait ou resterait cabossé. Les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques pour comprendre exactement comment la structure se déplaçait, découvrant que le tissage est naturellement rigide lorsqu'il est tiré droit, mais flexible lorsqu'il est plié latéralement. Cette propriété unique leur a permis de placer les fils mobiles là où le pliage se produit pour un mouvement efficace, tout en gardant la structure assez rigide pour supporter des charges lourdes.
Ce travail démontre que le tissage n'est pas seulement une méthode de fabrication de tissu, mais une stratégie d'ingénierie puissante pour construire des machines. En combinant l'art ancien du tissage avec des matériaux actifs modernes, les chercheurs ont créé une nouvelle classe de robots qui sont mous, forts et incroyablement robustes. Ces machines pourraient un jour servir d'exosquelettes portables pour aider les gens à soulever des objets lourds, ou de robots de secours capables de ramper à travers les décombres et de transporter des fournitations sans se briser. L'étude montre qu'en pensant en trois dimensions et en utilisant les propriétés naturelles des structures tissées, les ingénieurs peuvent résoudre le problème de longue date consistant à fabriquer des robots mous qui soient également assez forts pour accomplir un travail réel.
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