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Hollow-strut lattice architectures for distributed actuation and sensing in monolithic soft robots

Cet article présente une méthode de fabrication de robot souple monolithique utilisant des architectures de treillis à structures creuses pour intégrer une actionnement pneumatique distribué et une détection multi-mode au sein d'un seul corps imprimé, éliminant ainsi le besoin de tubulures fluidiques post-assemblage tout en permettant une flexion et une détection tactile simultanées grâce à un système de détection à canal unique sensible à la topologie.

Auteurs originaux : Altair Coutinho, Trevor Exley, Petr Trunin, Anderson Brazil Nardin, Lucia Beccai

Publié 2026-07-08

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Altair Coutinho, Trevor Exley, Petr Trunin, Anderson Brazil Nardin, Lucia Beccai

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que vous construisiez un robot mou à partir d'un seul morceau continu de caoutchouc, comme une brique de Lego géante et flexible. Habituellement, quand on fabrique ces robots, on rencontre un problème : il faut pomper de l'air dans différentes parties pour les faire bouger (l'actionnement) et il faut les presser pour qu'ils « ressentent » les choses (la détection). Mais ajouter des tubes d'air et des capteurs à tous les endroits appropriés signifie généralement devoir coller des tuyaux et des fils supplémentaires sur le robot après l'avoir imprimé. C'est salissant, fragile et cela nécessite beaucoup d'assemblage.

Cet article présente une nouvelle façon ingénieuse de construire ces robots afin que tout soit intégré dès le départ, sans besoin de tubes ou de fils supplémentaires.

Voici comment ils ont procédé, en utilisant quelques analogies simples :

1. Le robot est un « nid d'abeilles » avec des tunnels secrets

Au lieu d'un bloc de caoutchouc plein, le robot est construit comme un nid d'abeilles (une structure en treillis). Les chercheurs ont fait en sorte que les « parois » de ce nid d'abeilles soient creuses, comme de minuscules pailles.

La Magie : Ces pailles creuses ne servent pas seulement de structure ; elles font office de plomberie interne pour le robot.
Le Résultat : Vous n'avez pas besoin de coller des tubes à l'extérieur. Le robot s'imprime lui-même avec un réseau complet de tunnels à l'intérieur, prêt à transporter l'air.

2. Deux routes dans un seul système de tunnels

L'équipe a trouvé comment envoyer deux types de trafic différents à travers ce réseau de nid d'abeilles unique sans qu'ils ne se rentrent dedans :

La route des « Muscles » : Un premier ensemble de tunnels transporte l'air vers les muscles du robot (les actionneurs) pour le faire onduler et ramper.
La route des « Nerfs » : Un second ensemble de tunnels, distinct, parcourt le robot pour servir de capteur. Lorsque le robot se courbe ou est pressé, l'air à l'intérieur de ce tunnel est comprimé, ce qui modifie la pression.

3. L'astuce du « Bouton de Volume » (Programmation du diamètre)

C'est la partie la plus créative. Les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient changer la sensibilité de la « route des Nerfs » simplement en changeant la largeur du tunnel à différents endroits.

Tunnel Large (2,5 mm) : Voyez cela comme un ballon à paroi mince et sensible. Si vous le pressez ou si vous pliez le robot, l'air à l'intérieur s'écrase facilement, créant un grand changement de pression. Il est utilisé pour « ressentir » les choses.
Tunnel Étroit (2,0 mm) : Voyez cela comme un tuyau épais et rigide. Si vous pliez le robot, cette partie change à peine. Il agit comme un couloir silencieux, transportant simplement l'air d'un endroit à un autre sans rien « ressentir ».
En imprimant le robot avec un mélange de sections larges et étroites, ils peuvent dire au robot exactement où ressentir et où simplement faire passer l'air, tout cela en changeant le diamètre des montants creux.

4. Le système d'écoute à « deux oreilles »

Puisque le robot utilise de l'air (qui est compressible) plutôt que de l'eau, les signaux de pression peuvent être faibles. Pour résoudre cela, ils ont connecté deux jauges de pression différentes aux extrémités du tunnel de détection unique :

L'Oreille Sensible : Une jauge est très délicate. Elle entend les sons doux et légers du robot qui se courbe.
L'Oreille Puissante : L'autre jauge est conçue pour supporter des bruits forts et soudains.
Comment ça marche : Quand le robot se courbe doucement, l'« Oreille Sensible » l'entend. Mais si vous pincez le robot fort, le signal devient trop fort pour la jauge sensible (elle « sature » ou cesse de fonctionner). Cependant, l'« Oreille Puissante » capte parfaitement ce pincement important.
Le Bénéfice : Le robot peut faire la différence entre « Je suis en train de me courber » et « Je suis en train d'être pincé » simplement en regardant à quel point le signal est fort, en utilisant un seul et même tunnel.

5. La démo du « Robot Rampant »

Ils ont construit un petit robot semblable à une chenille pour prouver que cela fonctionne.

Mouvement : Il rampe vers l'avant en pompant de l'air dans sa « Route des Muscles ».
Détection : Pendant qu'il rampe, la « Route des Nerfs » indique à l'ordinateur à quel point le robot se courbe à chaque étape.
La commande d'arrêt : Ils ont ajouté une « zone de pincement » spéciale sur le dos du robot. Si vous pincez cet endroit, l'« Oreille Puissante » entend un signal énorme. Le robot interprète cela comme une commande d'arrêt. Si vous le pincez à nouveau, il recommence à avancer.
Le Meilleur Élément : Le robot n'a pas de boutons, pas de fils et pas de capteurs externes. Le « bouton d'arrêt » est simplement un endroit spécifique de son propre corps qui a été imprimé pour être extra sensible.

Résumé

Cet article montre qu'en construisant le squelette du robot à partir de pailles creuses et en planifiant soigneusement la largeur de ces pailles, on peut créer un robot qui bouge, ressent et reçoit des commandes à partir d'un seul morceau de matériau imprimé. Cela transforme le corps même du robot en son propre système de câblage et de plomberie, éliminant ainsi le besoin d'un assemblage salissant.

Résumé Technique : Architectures de Treillis à Entretoises Creuses pour l'Actionnement et la Détection Distribués dans les Robots Mous Monolithiques

Énoncé du Problème
Les robots mous monolithiques fabriqués par stéréolithographie (SLA) visent à co-localiser la structure, l'actionnement et la détection au sein d'un corps imprimé unique. Cependant, un goulot d'étranglement pratique persiste : établir des connexions pneumatiques indépendantes pour des actionneurs spatialement distribués et acheminer les canaux de détection vers des régions structurelles spécifiques nécessite généralement l'attache post-assemblage de tubulures ou de composants de détection en de multiples points le long de la surface du robot. Bien que les structures de treillis architecturées offrent un cadre pour le routage intégré, les approches de détection fluidique précédentes assignent généralement un canal par modalité de détection, ce qui fait que le nombre de ports et de transducteurs augmente linéairement avec les fonctions de détection. Aucun corps de treillis préalable n'a démontré une infrastructure pneumatique complète où le réseau d'entretoises sert lui-même de système de distribution pour à la fois les actionneurs et de multiples fonctions de détection via un canal programmé géométriquement unique.

Méthodologie
Les auteurs proposent une stratégie de conception et de fabrication où les entretoises d'un treillis architecturé sont rendues creuses sur toute leur longueur, convertissant ainsi le squelette lui-même en une tuyauterie pneumatique imprimée. La méthodologie repose sur quatre composantes clés :

Routage de Topologie-Sensible : Un pipeline de calcul (implémenté dans Grasshopper 3D) discrétise le volume du robot en une grille de voxels. Les voxels passifs sont classés soit comme « interface » (adjacents aux actionneurs), soit comme « remplissage ». Les voxels d'interface utilisent une topologie de cellule octaèdre-bord pour fournir des nœuds d'entrée de graphe uniques pour les actionneurs, tandis que les voxels de remplissage utilisent des topologies de type Cubique à Corps Centré (BCC) ou Cubique à Faces Centrées (FCC) basées sur la imprimabilité (angles d'auto-support) et la capacité de routage. Un algorithme de recherche en largeur (BFS) planifie deux chemins de canaux traversants indépendants (actionnement et détection) sur le graphe du treillis. L'algorithme interdit la réutilisation des arêtes mais autorise le partage de nœuds, garantissant des chemins fluidiques indépendants qui se terminent à une face proximale unique.
Sensibilisation Programmée par Diamètre : Le diamètre intérieur local ( $d_i$ ) des segments du canal de détection agit comme un cadran de sensibilité. Les segments imprimés avec un diamètre intérieur de 2,0 mm (parois plus épaisses) servent de routage « calme », présentant une réponse minimale à la déformation. Les segments imprimés avec un diamètre intérieur de 2,5 mm (parois plus minces) agissent comme des zones sensibilisées, répondant à la fois à la flexion et au pincement local. Cela permet de faire de la placement des zones de détection et de commande un paramètre de conception plutôt qu'une étape d'assemblage.
Séparation de Mode Basée sur l'Amplitude : Le canal de détection unique est lu aux deux extrémités par deux transducteurs de pression ayant des plages de mesure délibérément décalées : un capteur à haute sensibilité (±100 mbar) et un capteur à large plage (±1034 mbar). Une flexion structurelle graduelle produit de faibles changements de pression détectés par le capteur à haute sensibilité. Un pincement externe brusque pousse la pression du canal au-delà de la plage du capteur à haute sensibilité, générant des transitoires importants capturés par le capteur à large plage. Cela sépare les modes de déformation par l'amplitude plutôt que par l'exigence de canaux physiques distincts.
Fabrication et Évacuation de la Résine : L'ensemble du système est imprimé comme une pièce de matériau unique utilisant une résine Élastique 50A. La nature de « canal traversant » du routage permet de rincer la résine non polymérisée avec de l'alcool isopropylique d'un port à l'autre, garantissant que les canaux internes sont dégagés avant que les transducteurs ne soient attachés.

Contributions Clés
Le papier identifie quatre contributions primaires :

Entretoises de Treillis Creuses comme Tuyauterie Imprimée : Une méthodologie qui traite le squelette du treillis comme le système de distribution pneumatique, éliminant le besoin d'intégration fluidique post-assemblage.
Sensibilisation Programmée par Diamètre : Une technique où le diamètre intérieur d'un canal de détection unique définit son profil de sensibilité le long de sa longueur, remplaçant le besoin de routage dédié par modalité.
Séparation de Mode Basée sur l'Amplitude : Une stratégie de lecture à double transducteur qui distingue la flexion du pincement tactile en exploitant la saturation du transducteur, permettant une détection simultanée à partir d'un seul canal.
Robot Rampant Monolithique : Une démonstration d'un robot rampant imprimé en une seule fois avec des connexions fluidiques internes, capable de locomotion par friction, de détection de flexion et de commandes tactiles d'arrêt.

Résultats
L'architecture a été vérifiée par une caractérisation de tubes droits, des cubes de treillis passifs et actifs, ainsi qu'un prototype de robot rampant :

Caractérisation de la Sensibilité : Les tubes droits avec des diamètres intérieurs de 2,5 mm ont montré une sensibilité de 30 mbar/N à l'indentation, nettement supérieure aux variantes de 2,0 mm (17 mbar/N) et 1,5 mm (3 mbar/N). Seule la variante de 2,5 mm a produit des réponses utilisables pour une flexion allant jusqu'à 90°.
Séparation de Mode : Lors de tests combinant flexion et pincement, le capteur à haute sensibilité a résolu la flexion graduelle mais s'est saturé lors du pincement, le capteur à large plage capturant les transitoires importants du pincement, confirmant que la flexion et les événements de contact pouvaient être séparés à partir d'un seul canal sans logique supplémentaire.
Vérification du Treillis : Les cubes passifs ont démontré la capacité de routage multi-canaux et la détection indépendante. Les cubes actifs ont vérifié qu'un seul canal de détection pouvait détecter simultanément la flexion et le pincement localisé pendant que le treillis subissait un actionnement pneumatique, les changements de pression induits par l'actionnement restant distinguables des entrées tactiles externes.
Performance du Rampant : Le rampant monolithique (100 × 50 × 50 mm) a réalisé une locomotion vers l'avant sur un substrat en dents de scie via une démarche par friction, progressant à une vitesse moyenne de 0,95 mm/s. La zone sensibilisée dorsale a fourni des signaux de flexion répétables, synchronisés en phase avec le cycle de marche. Un pincement sur la zone de commande a saturé le capteur à haute sensibilité et a déclenché un transitoire sur le capteur à large plage, agissant avec succès comme une commande d'arrêt et de reprise tactile.

Signification et Revendications
Les auteurs affirment que ce travail résout la limitation pratique nécessitant l'intégration fluidique post-assemblage dans la robotique molle monolithique. En convertissant le squelette du treillis en tuyauterie, l'interface externe est réduite à un ensemble fixe de ports situés sur une seule face proximale, quel que soit le nombre d'actionneurs ou de zones de détection. L'approche étend la stratégie de fabrication monolithique à la couche de connexion fluidique elle-même.

Le papier souligne que la sensibilisation programmée par diamètre change la façon dont la détection distribuée évolue, car l'ajout d'une zone de détection ne nécessite pas de ports ou de transducteurs supplémentaires. De plus, la lecture à double plage convertit la limitation de la détection basée sur l'air (faible amplitude de signal et saturation du transducteur) en un mécanisme fonctionnel pour la classification de mode. Le travail démontre que les interfaces de commande (telles que le « pincer-pour-arrêter ») peuvent être imprimées directement dans le corps du robot en tant que sorties de conception plutôt que comme des composants assemblés. Les auteurs notent des limitations concernant la sensibilité de la détection basée sur l'air à la pression environnementale, l'épaisseur minimale de paroi des entretoises imposée par la résolution de la SLA, et l'ambiguïté de la localisation à canal unique lorsque plusieurs zones sont déformées simultanément, identifiant ces points comme des domaines pour des optimisations futures.