Des chercheurs de l’Université Virginia Tech (Institut Polytechnique et Université d’Etat de Virginie), située à Blacksburg, ont créé un robot capable de se transformer et reprendre ensuite sa morphologie initiale. Ils se sont inspirés de l’art du kirigami pour concevoir son architecture et ont utilisé du caoutchouc dans lequel ils ont intégré un alliage de métal à bas point de fusion pour cette approche innovante. Ils ont publié leur étude intitulée « Façonner des métamatériaux mécaniques par morphing grâce à la plasticité réversible » dans Sciences Robotics le mois dernier.
La robotique molle est apparue lors de la dernière décennie, grâce au développement de nouveaux matériaux mous comme le silicone et à l’apparition des imprimantes 3D. Les chercheurs de ce domaine s’inspirent souvent de la nature, trompes d’éléphant, mollusques ou végétaux. Une équipe de l’Université de Harvard a mis au point en 2016 le premier robot entièrement mou nommé « octobot » qui se présente sous la forme d’une pieuvre. Fabriqué en silicone à partir d’une imprimante 3D,il utilise la pression du gaz pour contracter ses tentacules. L’équipe de Virginia Tech, dirigée par Michael Bartlett, professeur adjoint en génie mécanique, comprenant également les étudiants diplômés Dohgyu Hwang et Edward J. Barron III et le chercheur postdoctoral ABM Tahidul Haque, a adopté une approche innovante pour le changement de forme au niveau du matériau utilisé. Michael Bartlett explique :
« Lorsque nous avons lancé le projet, nous voulions obtenir un matériau capable de faire trois choses : changer de forme, conserver cette forme, puis revenir à la configuration d’origine, et le faire sur plusieurs cycles. L’un des défis était de créer un matériau suffisamment souple pour changer radicalement de forme, mais suffisamment rigide pour créer des machines adaptables capables de remplir différentes fonctions. »
Une transformation inspirée du kirigami
La mise au point de robots s’inspire parfois des pliages d’origami, cette technique est aussi utilisée en robotique molle comme lors de la conception des muscles artificiels des équipes de Harvard et du MIT en 2017. L’équipe de Michael Bartlett s’est, quant à elle, intéressée au kirigami, l’art de créer de nouvelles formes en coupant du papier pour concevoir une structure pouvant être transformée.
Un matériau innovant
Il leur a fallu ensuite inventer un matériau qui puisse se transformer mais aussi revenir à sa forme initiale à la demande. Pour cela, ils ont introduit un endosquelette constitué d’un alliage à bas point de fusion (LMPA) à l’intérieur d’une peau en caoutchouc. Normalement, lorsqu’un métal est trop étiré, le métal devient définitivement plié, fissuré ou étiré dans une forme fixe et inutilisable. Cependant, grâce à cet alliage, ce matériau, lorsqu’il est étiré, conserve rapidement la forme souhaitée.
Pour redonner à la structure sa forme d’origine, l’équipe a incorporé des radiateurs souples en forme de vrille à côté du maillage LMPA qui entraîne la conversion du métal en liquide à 60 degrés Celsius (140 degrés Fahrenheit), soit 10 % de la température de fusion de l’aluminium. La peau en élastomère maintient le métal fondu en place, puis ramène le matériau dans sa forme d’origine, inversant l’étirement, donnant au composite ce que les chercheurs appellent une « plasticité réversible ». Après refroidissement, le métal contribue à nouveau à maintenir la forme de la structure. Doghyu Hwang explique :
« Ces composites ont un endosquelette métallique intégré dans un caoutchouc avec des éléments chauffants souples, où les coupes inspirées du kirigami définissent un réseau de poutres métalliques. Ces coupes combinées aux propriétés uniques des matériaux étaient vraiment importantes pour se transformer, se mettre en forme rapidement, puis revenir à la forme d’origine. »
Les chercheurs ont découvert que cette conception composite inspirée du kirigami pouvait créer des formes complexes, des cylindres aux boules en passant par des formes bosselées. Le changement de forme pouvait également être obtenu rapidement : après l’impact avec une balle, la forme changeait et se fixait en moins de 1/10 de seconde. De plus, si le matériau se brisait, il pourrait être réparé plusieurs fois en faisant fondre et en reformant l’endosquelette métallique.
Un robot mou pour la terre et l’air, un autre pour la mer
L’équipe commence à peine de développer des applications pour cette nouvelle technologie. En combinant ce matériau avec l’alimentation, le contrôle et les moteurs embarqués, elle a réussi à créer un drone fonctionnel qui se transforme de manière autonome d’un véhicule terrestre à un véhicule aérien mais aussi un petit sous-marin déployable, utilisant le morphing et le retour du matériau pour récupérer des objets d’un aquarium en grattant le ventre du sous-marin le long du fond. Edward J. Barron conclut :
« Nous sommes enthousiasmés par les opportunités que ce matériau présente pour les robots multifonctionnels. Ces composites sont suffisamment solides pour résister aux forces des moteurs ou des systèmes de propulsion, mais peuvent facilement se transformer, ce qui permet aux machines de s’adapter à leur environnement. »
Les chercheurs estiment, qu’à l’avenir, les composites de morphing joueront un rôle important dans le domaine de la robotique douce et permettront de créer des machines multifonctionnelles, capables de s’auto-réparer après avoir été endommagées.
