Les muscles artificiels qui vont alimenter la robotique du futur

Les cerveaux des robots deviennent de plus en plus intelligents, mais leurs corps sont encore souvent encombrants et difficiles à manier. L'ingénieur en mécanique Christoph Keplinger conçoit une nouvelle génération de robots souples et agiles inspirée d'un chef-d'œuvre de l'évolution : le muscle biologique. Vous voyez ces « muscles artificiels » se dilater et se contracter comme de vrais et atteindre des vitesses surhumaines - et découvrez comment ils pourraient fabriquer des prothèses plus fortes et plus efficaces que les membres humains.

En 2015, 25 équipes à travers le monde

ont concouru pour construire
des robots sauveteurs,

capables d'exécuter certaines tâches,

comme utiliser un outil électrique,

travailler sur un terrain accidenté

et conduire un véhicule.

Tout ça a l'air impressionnant,
et c'est le cas,

mais regardez la structure
du robot gagnant, HUBO.

Ici, HUBO essaie de sortir d'une voiture,

et gardez en mémoire,

la vidéo est accélérée trois fois.

(Rires)

HUBO, créé par KAIST en Corée,
est à la pointe de la technologie

avec des capacités impressionnantes,

mais ce corps n'a pas l'air si différent

des autres robots qu'on a vus
il y a quelques décennies.

Si vous regardez
les autres robots de la compétition,

leurs mouvements ont
aussi l'air très robotiques.

Leurs corps sont faits
de structures mécaniques

utilisant des matériaux rigides

tels que le métal et des moteurs
traditionnels électriques rigides.

Ils n'ont certainement pas été conçus

pour être bon marché, sûrs

et faciles à adapter
à des défis imprévisibles.

Nous avons bien progressé
avec les cerveaux des robots,

mais leurs corps sont encore primitifs.

Voici ma fille Nadia.

Elle a seulement cinq ans

et peut sortir de la voiture
plus rapidement que HUBO.

(Rires)

Elle peut aussi se balancer
sur les barres de singe facilement,

beaucoup mieux que
n'importe quel robot humanoïde.

Contrairement à HUBO,

le corps humain utilise constamment
des matériaux souples et déformables

tels que le muscle et la peau.

Il faut une nouvelle génération
de corps de robot

inspirée par l'élégance,
l'efficacité et la souplesse

des designs trouvés dans la nature.

Et en effet, cela est devenu l'idée
clé d'un nouveau domaine de recherche

appelé la robotique souple.

Mon groupe de recherche
et mes collaborateurs dans le monde

utilisent des composants flexibles
inspirés des muscles et de la peau

pour fabriquer des robots
agiles et habiles

qui sont de plus en plus proches

des capacités impressionnantes
des organismes naturels.

J'ai toujours été particulièrement
inspiré par les muscles biologiques.

Ce n'est pas surprenant.

Je suis aussi autrichien, et je sais que
je parle un peu comme Arnie, le Terminator

(Rires)

Le muscle biologique est un vrai
chef-d’œuvre de l’évolution.

Il peut guérir après un dommage

et il est étroitement intégré
avec des neurones sensoriels

pour la rétroaction sur
le mouvement et l'environnement.

Il peut se contracter rapidement pour le
battement rapide des ailes d'un colibri ;

il peut devenir assez fort
pour déplacer un éléphant;

et il est suffisamment adaptable
pour les bras extrêmement polyvalents

d'une pieuvre,

un animal qui peut comprimer
son corps à travers de minuscules trous.

Les actionneurs sont pour les robots
ce que les muscles sont pour les animaux :

les acteurs clés du corps

qui permettent le mouvement
et l'interaction avec le monde.

Donc, si nous pouvions construire
des actionneurs souples,

ou des muscles artificiels,

qui soient aussi
polyvalents et adaptables,

avec les mêmes performances que les vrais,

nous pourrions construire presque
tout type de robot

pour presque tous les types d'usages.

Sans surprise, les gens ont essayé
pendant de nombreuses décennies

de reproduire les capacités
impressionnantes du muscle,

mais cela a été très difficile.

Il y a environ 10 ans,

quand j'ai fait mon doctorat en Autriche,

mes collègues et moi avons redécouvert

ce qui est probablement l'une
des toutes premières publications

sur le muscle artificiel, publiée en 1880.

« Modifications de forme et
de volume des corps diélectriques

causées par l'électricité »,

publié par le physicien allemand
Wilhelm Röntgen.

La plupart d'entre vous le connaissent
pour sa découverte de la radiographie.

Suivant ses instructions,
on a utilisé une paire d’aiguilles

connectée à une source haute tension

et posée près d’un morceau
de caoutchouc transparent

pré-étiré sur un cadre en plastique.

Une fois le courant allumé,

le caoutchouc s'est déformé

et tout comme nos biceps
fléchissent nos bras,

le caoutchouc a plié le cadre.

On dirait de la magie.

Les aiguilles ne touchent
même pas le caoutchouc.

Cependant, avec deux aiguilles,
il n'est pas évident

de faire fonctionner
des muscles artificiels,

mais cette incroyable expérience
m'a attaché au sujet.

Je voulais innover pour
la construction de muscles artificiels

qui pourraient fonctionner
pour des applications réelles.

Les années suivantes, j'ai travaillé
sur différentes technologies

qui étaient prometteuses,

mais qui présentaient toutes des défis
difficiles à surmonter.

En 2015,

quand j'ai débuté mon laboratoire
à la CU Boulder,

je voulais tester une nouvelle idée.

Je voulais combiner
une vitesse élevée et l'efficacité

des actionneurs électriques,

avec des actionneurs polyvalents
souples et fluides.

Par conséquent, j'ai pensé,

que je pourrais utiliser une
science ancienne d'une nouvelle manière.

Le diagramme que vous voyez ici

montre un effet appelé
le stress de Maxwell.

Quand deux plaques de métal

sont placées dans un récipient d'huile,

puis mises sous tension,

le stress de Maxwell force l'huile
entre les deux plaques,

et c'est ce que vous voyez ici.

L'idée principale était :

pouvons-nous utiliser cet effet
pour déplacer l'huile

contenue dans des structures extensibles ?

Et en effet, cela marche étonnamment bien.

Franchement, mieux que ce que je pensais.

Avec ma remarquable équipe d'étudiants,

on a utilisé cette idée de départ

pour développer une nouvelle technologie
appelée muscles artificiels HASEL.

Les HASEL sont assez délicats
pour prendre une framboise

sans l'endommager.

Ils peuvent s'étendre et se contracter
comme des vrai muscles.

Et être commandés plus vite
que les muscles réels.

Ils peuvent être renforcés pour
délivrer de grandes forces.

Ici vous pouvez les voir soulever
un bidon rempli d'eau.

Ils peuvent être utilisés
pour piloter un bras robot

et ils peuvent même repérer leur position.

Les HASEL peuvent être utilisés pour
des mouvements très précis,

mais aussi pour des mouvements
très fluides, semblables au muscle,

et augmenter de puissance
pour tirer une balle en l'air.

Plongés dans l'huile,

les muscles artificiels HASEL
peuvent être rendus invisibles.

Alors comment marchent les HASEL ?

Vous serez peut-être surpris.

Ils sont basés sur des matériaux
disponibles et peu coûteux.

Vous pouvez même essayer,
et je le conseille,

le principe de base chez vous.

Prenez des sacs zippés et
remplissez-les d'huile d'olive.

Retirez les bulles d'air si possible.

Maintenant, placez un support en verre
d'un côté du sac.

Quand vous appuyez, le sac se contracte.

Le niveau de contraction
est facile à contrôler.

Quand vous prenez un poids léger,
vous avez une petite contraction.

Avec un poids moyen,
on obtient une moyenne contraction.

Et avec un poids lourd,
vous obtenez une grande contraction.

Pour les HASEL, la seule différence
est de remplacer la force de votre main

ou le poids, par une force électrique.

HASEL : « actionneur électrostatique
auto-guérisseur amplifié hydrauliquement »

Ici vous voyez une géométrie qu'on nomme
actionneurs Peano-HASEL,

un parmi les nombreux designs possibles.

De nouveau, vous prenez un
polymère flexible comme notre sac zippé

que vous remplissez d'un liquide isolant,
comme l'huile d'olive,

et maintenant, à la place
d'une plaque de verre,

vous placez un conducteur électrique
sur un côté du sac.

Pour créer une sorte de fibre musculaire,

vous pouvez connecter plusieurs sacs

et attacher un poids d'un côté des sacs.

Ensuite, on met sous tension.

Maintenant, le champ électrique
commence à agir sur le liquide,

Il déplace le liquide,

et il force le muscle à se contracter.

Ici vous regardez l'actionneur
Peano-HASEL complet

et comment il s'étend et se contracte
lorsque le voltage est appliqué.

Vu de l’intérieur,

Vous pouvez vraiment voir ces sacs
prendre une forme plus cylindrique,

comme pour les sacs zippés.

On peut aussi placer quelque-unes
de ces fibres musculaires à côté

pour être plus semblable à un muscle

qui se contracte et s'étend en
sections transversales.

Ces HASEL ici soulèvent un poids
200 fois plus lourd

que leur propre poids.

Ici vous voyez un des nouveaux designs,
appelé quadrant donut HASEL

et comment ils s'élargissent
et se contractent.

Ils peuvent fonctionner très rapidement,
atteignant des vitesses surhumaines.

Ils sont même assez puissants
pour sauter en l'air.

(Rires)

Globalement, les HASEL ont le potentiel
de devenir la première technologie

qui égale ou surpasse la performance
des muscles biologiques

tout en étant compatible
avec la fabrication à grande échelle.

C'est aussi une très jeune technologie.
Nous débutons juste.

On a beaucoup d'idées sur comment
améliorer nettement les performances,

avec de nouveaux matériaux et designs
pour atteindre un niveau de performance

au-delà des muscles biologiques et des
traditionnels moteurs électriques rigides.

En allant vers des designs plus complexes
pour la bio-robotique -

voici notre scorpion artificiel

qui peut utiliser sa queue
pour chasser des proies,

dans ce cas, un ballon.

(Rires)

Revenons à notre inspiration initiale,

la flexibilité des tentacules de pieuvre
et de trompe d'éléphant,

nous pouvons maintenant construire
des actionneurs continus mous

qui se rapprochent de plus en plus
de la capacité du réel.

Je suis très excité
sur les applications pratiques

des muscles artificiels HASEL.

Ils vont permettre des robots mous

qui peuvent améliorer la qualité de vie.

Ils vont favoriser une nouvelle
génération de prothèse plus réaliste

pour les personnes qui ont perdu
une partie de leur corps.

Vous pouvez voir ici des HASEL
de mon laboratoire,

les premiers tests,
pour une prothèse de doigt.

Un jour, on pourra peut-être fusionner
nos corps avec des pièces de robotique.

Je sais qu'à première vue,
cela semble effrayant.

Mais quand je pense à mes grands-parents

et à la façon dont ils deviennent
plus dépendants des autres

pour réaliser les tâches quotidiennes
comme seulement utiliser les toilettes,

ils se sentent souvent comme
s'ils étaient un fardeau.

Avec la robotique souple, on sera capable
d'améliorer et de restaurer

l'agilité et la dextérité,

et ainsi aider les personnes âgées
à maintenir leur autonomie

plus longtemps dans leur vie.

Nous pouvons peut-être appeler cela
« la robotique anti-vieillissement »

ou même la prochaine étape
de l'évolution humaine.

Contrairement à leurs homologues rigides,

les robots souples réalistes agiront
sans danger et nous aideront à la maison.

La robotique souple est un nouveau
domaine qui commence juste.

J'espère que beaucoup de jeunes personnes
de milieux différents

nous rejoindront dans
cette aventure passionnante

et développeront le futur de la robotique

en introduisant de nouveaux concepts
inspirés par la nature.

Si on le fait bien,

on peut améliorer la qualité de vie

pour nous tous.

Merci.

(Applaudissements)