Des ingénieurs de l’université Virginia Tech sont parvenus à créer un robot capable de changer de forme sur demande. De véhicule terrestre roulant, il peut devenir en quelques secondes un drone aérien grâce à la composition innovante de sa structure.
Les chercheurs ont fait part de leurs avancées dans un article publié le 9 février 2022 dans la revue Science Robotics. Une vidéo a aussi été publiée, dans laquelle on peut apercevoir l’impressionnant changement de forme du véhicule miniature.
New paper on shape morphing composites that dramatically deform, fix in shape, and return on demand.
We combine kirigami with advanced materials for morphing drones and underwater robots that perform multiple functions.
See the paper in @SciRobotics at https://t.co/Bvt1b7RDZi pic.twitter.com/jQlVR26Isz
— Michael Bartlett (@SMSLaboratory) February 10, 2022
On voit ainsi arriver un drôle de robot monté sur roulettes, qui s’avance avant de s’aplatir pour devenir un drone aérien. Il s’envole alors vers de nouveaux horizons grâce à ses hélices. Les ingénieurs ont aussi conçu un robot capable d’aller sous l’eau et de changer de forme pour ratisser le sol et en ramener des objets.
En réalité, cela n’est pas tant la réalisation en elle-même que le matériau utilisé qui fait l’objet de toutes les attentions. Les ingénieurs sont en effet parvenus à concevoir une structure qui peut changer de forme facilement, tout en gardant sa solidité. Le tout, sans utiliser d’articulations, ni moteurs, ni poulies ou autres engrenages.
« 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 », explique ainsi Michael Bartlett, professeur à l’université Virginia Tech, qui a dirigé l’équipe du projet, dans un communiqué de l’établissement. « 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 ».
La technique japonaise du kirigami à l’œuvre
Pour trouver ce délicat équilibre, les ingénieurs ont utilisé différents éléments. Ils ont intégré un « squelette » de métal dans une « peau » souple en élastomère. Jusqu’ici, rien de très étonnant par rapport à la robotique classique. Ce qui fait la particularité de ce matériau, c’est le métal utilisé. Les scientifiques ont en effet choisi un métal à bas point de fusion : il fond à seulement 60 degrés.
Résultat : en intégrant de petits radiateurs, les ingénieurs sont parvenus à créer une structure qui peut changer de forme, lorsque le métal est liquide, puis garder une forme solide et robuste lorsque le métal se fige à nouveau. Pour revenir à la forme d’origine, il suffit de liquéfier à nouveau le métal, et la peau en élastomère reprend sa forme. C’est ce que les scientifiques appellent la « plasticité réversible ». Le processus prend moins d’un dixième de seconde. Cette « peau » fait aussi en sorte que le métal ne s’échappe pas lorsqu’il est sous forme liquide.
Afin de permettre à toute cette structure de prendre des formes variées, les ingénieurs se sont inspirés de la technique japonaise du « kirigami », littéralement, « papier coupé ». Il s’agit concrètement de créer des formes, non pas à partir de papier plié, comme dans la pratique plus connue de l’origami, mais à partir de papier découpé. Si vous avez déjà fabriqué, à l’école, des guirlandes en découpant des formes dans du papier que vous dépliiez ensuite, alors vous connaissez le kirigami !
trois configurations de kirigami différentes, y compris des conceptions uniaxiales, biaxiales et triaxiales. © Dohgyu Hwang et al./Science Robotics
Grâce à cela, le matériau a été agencé selon des motifs géométriques qui lui permettent de prendre des formes très variées : boule, cylindre, courbes… De quoi lui trouver de nombreuses applications. Autre point fort de ce matériau : sa réparabilité. En effet, si une partie du robot casse, il suffit de faire revenir le métal à l’état liquide pour qu’il se répare.
Enthousiasmés par leurs tests concluants, les ingénieurs espèrent que leur travail trouvera une utilité dans le monde de la robotique. « 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 », affirme ainsi Michael Bartlett.