Ces millirobots imprimés en 3D peuvent détecter et réagir à leur environnement

Le millirobot ressemblait à un adorable véhicule de dessin animé alors qu’il naviguait de manière experte dans un labyrinthe complexe. C'est une étrange créature : le fond ressemble à une clôture effondrée ; le dessus, un panier en forme de passoire. De la taille d’un centime, il semble fragile et totalement modeste.

Mais à la base se trouve un changement de paradigme potentiel pour la construction de robots autonomes capables de détecter et de réagir à leur environnement local. Contrairement aux robots classiques, qui sont assemblés avec plusieurs composants, le millirobot est 3D imprimé avec un métamatériau d'aspect laiteux qui peut modifier ses propriétés de manière flexible avec quelques zaps électriques.

Les métamatériaux ressemblent à quelque chose sorti d’une bande dessinée, mais le concept est simple. Contrairement au bois, au verre ou à d'autres matériaux statiques sur lesquels nous comptons volontiers pour maintenir leur structure, les métamatériaux utilisés dans l'étude (les matériaux piézoélectriques) modifient facilement leur structure lorsqu'ils sont soumis à un champ électromagnétique. Cela permet au matériau de se tordre, de se déformer, de rétrécir ou de se dilater. Cartographiez chaque mouvement et il est possible de construire et de diriger un robot.

Pour construire le bot, l'équipe un une configuration d'impression 3D pour imprimer des structures robotiques à l'aide de matériaux piézoélectriques. En guise de complément supplémentaire, l'équipe a donné aux robots un rayonnement ultrasonique, intégrant des composants dans le matériau, ce qui a aidé les robots à transformer les vibrations en électricité pour détecter leur environnement.

Les millibots ont appris à marcher, sauter et échapper de manière autonome aux obstacles potentiels en temps réel. Ils pourraient même faire une mini-randonnée sur la plage en laboratoire, naviguant facilement sur un terrain accidenté et sablonneux partiellement recouvert de verdure.

Les robots, bien qu’encore rudimentaires, pourraient un jour aider à délivrer des médicaments dans des espaces confinés de notre corps s’ils étaient réduits. Ils peuvent également agir comme des éclaireurs bon marché, minuscules mais puissants pour explorer des environnements nouveaux ou dangereux.

Au Dr Ahmad Rafsandjani du Centre de robotique douce de l'Université du Danemark du Sud, qui n'était pas impliqué Dans l’étude, les millibots mettent les métamatériaux sous les feux de la rampe en tant que nouvelle façon de construire des robots autonomes. L'étude « met en lumière une vision plus large des « matériaux robotiques » dans laquelle la frontière entre matériaux et machines devient indiscernable », a-t-il écrit dans un commentaire connexe. "La fabrication additive de métamatériaux piézoélectriques pourrait conduire à la matérialisation de robots entièrement intégrés qui pourraient éventuellement sortir directement d'une imprimante 3D."

Méta-Quoi ?

Les métamatériaux sont bizarres. Mais grâce à leurs propriétés exotiques, les scientifiques ont facilement exploré les utilisations potentielles de ces étranges canards. Un classique est l’optique. Les métamatériaux sont souvent constitués de composants qui interagissent de manière flexible avec les ondes électromagnétiques, notamment la lumière. D'une certaine manière, ils ressemblent aux objectifs d'appareil photo ou aux miroirs, mais avec le super pouvoir de changer rapidement la façon dont ils dirigent chaque onde lumineuse. En théorie, une structure soigneusement créée à partir de métamatériaux pourrait révolutionner tous les types de lunettes, des lentilles de microscope à celles de nos visages.

Plus récemment, les scientifiques ont commencé à explorer d’autres utilisations. Un effort majeur consiste à incorporer des matériaux piézoélectriques dans des puces neuromorphiques, qui simulent grossièrement la façon dont le cerveau calcule et stocke les informations. En modifiant les propriétés de ces matériaux avec des champs électriques, les scientifiques peuvent se rapprocher du fonctionnement des synapses avec une énergie ultra-basse. D'autres études exploité la capacité acrobatique des métamatériaux à transformer leur forme, créant des structures qui convertissent un mouvement linéaire (par exemple, une marche en crabe) en rotations et en engrenages mécaniques. C'est comme si vos jambes se transformaient soudainement en roues en rotation.

Ouais, les métamatériaux sont bizarres. Comment travaillent-ils?

Il est utile de les imaginer comme téléviseurs en boîte à l'ancienne avec antennes. Pour ajuster le canal, c'est-à-dire le comportement du matériau, vous déplacez les antennes jusqu'à ce que leur structure interagisse fortement avec les ondes radio, et voilà.á, vous avez déterminé l'état du matériau. Il peut ensuite être mélangé à des matériaux conventionnels pour construire des structures complexes ressemblant à un treillis tout en préservant leurs propriétés de métamorphose. Cette flexibilité en fait un canevas particulièrement intrigant pour la conception de robots. Parce qu'il s'agit d'une structure quasiment unique, à long terme, ils pourraient contribuer à construire des systèmes intelligents. prothèses moins sujets aux pannes, car ils ne comportent pas de pièces mécaniques mobiles. Plutôt que de les souder, ils peuvent désormais être imprimés en 3D. (Cela me donne tout le Westworld vibes - Dolores mécanique contre version imprimée au liquide laiteux, ça vous tente ?).

Stranger Things

Les nouveaux millibots ressemblent à un hybride entre Wall-E et TARS, un robot strié et pliable ressemblant à des baguettes. Interstellar. Entièrement imprimés en 3D, ils ont brisé le dogme conventionnel de la construction de robots. Normalement, un robot a besoin de plusieurs composants indépendants : des capteurs pour naviguer dans l’environnement, des microprocesseurs pour le « cerveau », des actionneurs pour le mouvement et une alimentation électrique pour piloter l’ensemble du système. Chaque lien est sujet à l'échec.

Ici, l'équipe a intégré chaque composant dans une seule conception. Le premier ingrédient clé est constitué par les matériaux piézoélectriques, qui convertissent les champs électriques en tension mécanique et vice versa. Ce sont les « muscles » qui guident le mouvement du robot. Mais ils remplissent une triple fonction. Selon l'état du métamatériau, il peut former une épine dorsale semblable à de la céramique pour aider le millibot à conserver sa forme. Dans sa phase conductrice, il agit comme des cellules nerveuses, captant des signaux électromagnétiques pour contrôler les « muscles ». Les prouesses du robot sont renforcées par un élément ultrasonique, fusionné sur le robot, qui l'aide à détecter son environnement.

Au total, le simple millibot possède essentiellement plusieurs systèmes mélangés en une seule substance blanche éclatante : un système nerveux capable de détecter et d’actionner, un composant « musculaire » et une structure squelettique. En déposant la matière dans une imprimante 3D, l'équipe a construit des réseaux sophistiqués comme épine dorsale du robot, chacun soigneusement décoré de métaux conducteurs et de propriétés piézoélectriques sur des régions spécifiques.

Le résultat? Un petit robot qui exploite les champs électriques pour détecter et naviguer dans son environnement. Encore plus impressionnante est sa capacité à « comprendre » ses propres mouvements corporels et leur place dans l’espace – une astuce appelée proprioception. ça a été doublé le « sixième sens » de la perception humaine et rarement mis en œuvre dans les robots.

Après quelques défis, les auteurs ont ensuite montré les prouesses des robots. Un robot a habilement contourné les barrages routiers en temps réel tandis qu'un humain abaissait séquentiellement les barrières en fonction du retour d'ultrasons. Dans un autre test, le robot a parcouru de longues distances et a géré de manière experte des virages serrés. Avec seulement quelques millisecondes de retard, le robot grenouille a sauté plusieurs surfaces rugueuses sans transpirer, une tâche motrice qui avait auparavant déconcerté les autres robots.

Les millibots fabriquaient également d'excellentes mules de bât. Même avec une charge utile de 500 pour cent, comme une source d'énergie embarquée, un pilote et un microcontrôleur, ils ont pu se déplacer facilement avec une baisse de vitesse de seulement 20 pour cent. En pratique, leur superpuissance fait de ces robots d’excellents échafaudages en tant que machines d’administration de médicaments qui pourraient un jour parcourir notre circulation sanguine.

Un chemin à parcourir

Une seule pièce de matériau piézoélectrique peut être extrêmement flexible, avec six degrés de liberté : la capacité de s'étendre linéairement sur trois axes (comme plier le bras vers l'avant, le côté et l'arrière) et de se tordre en rotation. Grâce à la fabrication additive de l'étude, il est facile de concevoir différentes architectures robotiques guidées par des algorithmes créatifs.

L’équipe « a habilement entrelacé l’actionnement et la perception dans une miniature légère

un réseau composite 3D qui se déplace et détecte son environnement », a déclaré Rafsandjani.

Les robots peuvent ressembler à une énigme incongrue : une créature flexible constituée d'une colonne vertébrale dure semblable à de la céramique et d'un seul métamatériau. Mais nous, les humains, le sommes aussi : nous sommes constitués de cellules de formes, de tailles et de capacités très différentes. L'adaptation des idées utilisées pour concevoir des robots piézoélectriques donne à la robotique douce une nouvelle perspective, conduisant potentiellement à des matériaux complètement artificiels qui s'adaptent à notre corps.

L’étude « rapproche les métamatériaux robotiques des systèmes biologiques, une fonction à la fois », a déclaré Rafsandjani.

Crédit d’image : Groupe de recherche Rayne

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• Source : https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/