De nouveaux muscles artificiels bioinspirés actionnés à l’air comprimé peuvent fonctionner dans l’eau bouillante, résister aux surfaces abrasives et soulever jusqu’à 100 fois leur poids, selon une récente étude. Contrairement à leurs homologues motorisés, ils sont entièrement autonomes et beaucoup plus légers, tout en étant plus souples, ce qui permet aux robots de franchir des obstacles complexes. Ils pourraient ainsi trouver des applications dans plusieurs domaines, de la robotique médicale aux robots explorateurs et de sauvetage.
Les muscles bioinspirés ont permis d’importantes avancées dans le domaine de la robotique. Leur flexibilité et leur souplesse offrent notamment une grande liberté de mouvement et un gain notable en matière d’efficacité énergétique, facilitant les déplacements dans des environnements complexes. Cependant, en dépit de ces progrès, leur déploiement dans des conditions réelles demeure encore limité.
Les muscles artificiels souples développés jusqu’ici excellent dans des tâches spécifiques, mais peinent à s’imposer par leur polyvalence dans des applications à grande échelle. Les muscles à base d’élastomère diélectrique peuvent, par exemple, se contracter et générer des forces de levage élevées, mais nécessitent des tensions de l’ordre du kilovolt, ce qui freine leur évolutivité et soulève des enjeux de sécurité. Les actionneurs pneumatiques sont, quant à eux, limités en matière de contractilité.
Par ailleurs, les muscles artificiels souples reposent généralement sur des processus de fabrication complexes, longs et exigeant des matériaux spécifiques. Une étude récente, publiée dans la revue PNAS, propose un nouveau muscle artificiel à base de polymère hélicoïdal, à la fois plus polyvalent et plus simple à produire.
« Nous avons mis au point un nouveau muscle artificiel qui imite les muscles naturels », explique Eric Weissman, doctorant au Laboratoire des actionneurs et de la dynamique robotiques de l’Université d’État de l’Arizona (ASU) et auteur principal de l’étude, dans un communiqué. « Bien que des muscles bio-inspirés existassent déjà, nous les avons rendus plus polyvalents, plus légers et plus puissants. »
Un taux de contraction jusqu’à 75 %
Appelé « actionneur polymère renforcé anisotropique hélicoïdal » (« helical anisotropically reinforced polymer actuator », ou HARP), ce muscle artificiel développé à l’ASU vise à reproduire fidèlement la contraction et la décontraction musculaire naturelle. Les matériaux anisotropes présentent des propriétés physiques qui varient selon la direction.
Flexibles, très légers et silencieux, les actionneurs HARP prennent la forme de petits tubes enroulés comme des cavatappi (pâtes creuses striées en forme de tire-bouchon). Chaque muscle HARP se compose de quatre éléments principaux : un noyau formable inséré dans un tube élastique, une anisotropie hélicoïdale appliquée à ce tube, l’enroulement de l’ensemble tube-noyau, et une source de pression permettant de générer une contraction linéaire.
Ces muscles se gonflent et se contractent lorsqu’on y insuffle de l’air, les rendant ainsi autonomes en fonctionnement (tout en nécessitant une source d’air comprimé). Ces propriétés leur conféreraient ainsi une flexibilité adaptée à la robotique souple, tout en offrant une force de levage supérieure à celle des actionneurs électriques de masse équivalente, selon l’équipe.
D’après les analyses des chercheurs, le muscle HARP atteint un taux de contraction jusqu’à 75 %, une densité de puissance de 1,93 kW/kg et un rendement énergétique de 29 %. Son processus de conception se révèle également plus évolutif et découplé : le tube et le noyau peuvent être sélectionnés indépendamment.
« Grâce à leur polyvalence et à leur adaptabilité, nous avons pu réduire considérablement cette exigence de pression, ce qui nous a permis de créer un robot capable de marcher de manière autonome sans aucune alimentation externe, transportant tout ce dont il a besoin sur lui », précise Eric Weissman.
(A) Un HARP de 11 g soulevant une charge de 1 kg. (B) Les HARP sont construits à partir d’éléments modulaires et découplés : tout tube souple à âme formable est doté d’une source d’anisotropie hélicoïdale, puis enroulé en hélice. Sous pression, le HARP se contracte linéairement. (C) La polyvalence du HARP provient de son vaste espace de conception découplé. (D) La priorisation de certaines propriétés souhaitées permet aux HARP de s’adapter à une large bibliothèque d’applications robotiques, y compris de nombreuses applications axées sur une seule propriété (celles imposant une exigence principale, par exemple, survivre à l’eau bouillante, la résistance à l’abrasion, l’actionnement électrique ou la productibilité en masse), des robots mous manœuvrables et un quadrupède musculosquelettique sans fil. © Weissman et al.
De multiples champs d’applications
S’agissant des applications potentielles, les chercheurs estiment que des robots équipés de muscles HARP pourraient évoluer dans les décombres de bâtiments effondrés à la suite de catastrophes afin de rechercher des survivants. « Leur flexibilité leur permet de se faufiler dans des espaces restreints sans causer de dégâts supplémentaires », souligne le chercheur.
« À domicile, ils pourraient aider en toute sécurité les personnes âgées dans leurs activités quotidiennes, comme attraper des objets sur les étagères et effectuer des tâches ménagères simples », ajoute-t-il.
Leur résistance aux hautes températures ouvrirait également la voie à des usages dans l’industrie lourde ou l’exploration d’environnements extrêmes, tels que les sources hydrothermales. Leur flexibilité, ainsi que leur capacité à pivoter et à saisir des objets, pourrait enfin être mise à profit dans les प्रक्रés d’assemblage industriels ou en agriculture.
