Une équipe de recherche dirigée par les experts en matériaux intelligents, le professeur Stefan Seelecke et le professeur junior Gianluca Rizzello, de l'université de la Sarre, explore les aspects fondamentaux de ce domaine passionnant qu'est la robotique souple.

Dans l'usine du futur, humains et machines travailleront côte à côte, en harmonie, en équipe, unissant leurs forces au besoin, comme si le robot collaboratif était un être de chair et de sang. Bien que les robots collaboratifs (« cobots ») soient déjà utilisés sur les chaînes de production industrielle, une véritable collaboration directe entre robots et humains est encore loin d'être une réalité. Le problème réside dans la proximité physique des collaborateurs humains, dont les actions – contrairement à celles d'un robot – ne suivent pas d'algorithmes prévisibles. Un travailleur humain peut se fatiguer ou se laisser distraire et agir soudainement, voire de manière illogique. Cela a des conséquences évidentes en matière de sécurité et explique pourquoi les bras robotisés actuellement utilisés sur les chaînes de production sont généralement installés dans des cages. Pour quiconque s'approche trop près, la situation peut devenir dangereuse. Les robots industriels sont généralement des machines imposantes et lourdes. Mais ils sont aussi puissants, rapides et agiles, et sont utilisés pour une large gamme d'opérations, telles que le soudage, l'assemblage, la peinture, l'empilage et le levage. Cependant, leurs mouvements sont entièrement dictés par les programmes qui les contrôlent. Et si quelqu'un se trouve sur leur chemin ou s'approche trop près, les conséquences peuvent être graves.

L'équipe dirigée par le professeur Stefan Seelecke et le professeur associé Gianluca Rizzello, de l'Université de la Sarre et du Centre de mécatronique et d'automatisation (ZeMA) de Sarrebruck, travaille sur de nouveaux types de bras robotiques intelligents. « Notre technologie repose sur des systèmes polymères intelligents et nous permet de créer de nouveaux outils robotiques souples, plus légers, plus maniables et plus flexibles que les composants rigides actuellement utilisés », explique Stefan Seelecke. Un léger contact accidentel avec l'un de ces bras robotiques du futur serait comparable à une bousculade d'un collègue (et réduirait considérablement les risques de blessure).

Le matériau utilisé pour ces nouveaux bras robotiques souples est un polymère particulier appelé « élastomère diélectrique ». Les chercheurs de Sarrebruck utilisent ce matériau composite pour créer des muscles et des nerfs artificiels. Les propriétés spécifiques des élastomères diélectriques permettent de développer des systèmes inspirés des conceptions ingénieuses de la nature. Ces élastomères peuvent être comprimés, puis étirés pour reprendre leur forme initiale. « Nous imprimons des électrodes sur les deux faces de l'élastomère. Lorsqu'une tension est appliquée, les deux électrodes s'attirent, comprimant le polymère et provoquant son expansion latérale », explique le Dr Gianluca Rizzello, professeur junior de systèmes adaptatifs à base de polymères. Ce chercheur italien travaille au sein de l'équipe de Seelecke depuis 2016. L'élastomère peut ainsi se contracter et se détendre, à l'instar d'un tissu musculaire. « Nous exploitons cette propriété pour concevoir nos actionneurs », précise Rizzello. En modulant précisément le champ électrique, les ingénieurs peuvent faire vibrer l'élastomère à haute fréquence, lui faire effectuer des mouvements de flexion continus, ou même le maintenir immobile dans une position intermédiaire précise.

Les chercheurs combinent ensuite un grand nombre de ces minuscules « muscles » pour créer un bras robotique flexible. Assemblés de cette manière pour former un tentacule robotique, l'interaction entre les muscles produit des mouvements similaires à ceux d'un bras de pieuvre, capable de pivoter dans toutes les directions. Contrairement aux membres robotiques lourds et rigides actuellement utilisés, qui, comme les humains, ne peuvent se déplacer que dans certaines directions, ces nouveaux tentacules robotiques sont libres de se mouvoir dans presque toutes les directions. Gianluca Rizzello, en collaboration avec son doctorant Johannes Prechtl, a récemment remporté le prix du meilleur article à la conférence RoboSoft 2021 pour leurs travaux sur le développement d'un prototype de tentacule à base d'élastomère diélectrique – une des nombreuses distinctions obtenues par l'équipe de recherche du professeur Seelecke. L'équipe prévoit de finaliser le prototype de tentacule d'ici un an environ.
En matière d'intelligence artificielle des matériaux polymères, Gianluca Rizzello est un véritable expert. Il fournit à l'unité de contrôle (le « cerveau » du robot) les données nécessaires pour un mouvement intelligent du bras – une tâche complexe et ambitieuse. Ces systèmes sont bien plus complexes que les bras robotiques actuels. « Utiliser l'intelligence artificielle pour contrôler des composants à base de polymères est beaucoup plus difficile que de contrôler des systèmes mécatroniques conventionnels », explique Rizzello. Les muscles en élastomère possédant également des propriétés sensorielles, ils peuvent jouer le rôle de nerfs pour le système, ce qui évite d'équiper le bras robotique de capteurs supplémentaires. Chaque déformation de l'élastomère, chaque changement de sa géométrie, entraîne une variation de la capacité du matériau, permettant ainsi à l'équipe d'attribuer une valeur précise de capacité électrique à chaque déformation spécifique. « En mesurant la capacité, nous connaissons exactement la forme prise par l'élastomère, ce qui nous permet d'extraire des données du capteur », explique Rizzello. «

Ces données quantitatives peuvent ensuite être utilisées pour modéliser et programmer avec précision le mouvement du bras en élastomère. » Les recherches de Rizzello portent sur le développement d'algorithmes intelligents capables d'entraîner ces nouveaux tentacules robotiques à se déplacer et à réagir selon les besoins. « Nous cherchons à identifier les propriétés physiques responsables du comportement de ces polymères. » « Plus nous en savons, plus nous pouvons concevoir avec précision les algorithmes qui contrôlent les muscles en élastomère », précise le Dr Rizzello.

La technologie développée en Sarre sera adaptable à grande échelle. Cette technologie peut servir à créer des tentacules miniatures pour instruments médicaux ou à fabriquer de grands bras robotisés pour des applications industrielles. Contrairement aux bras robotisés lourds utilisés aujourd'hui, les membres robotisés construits à partir d'élastomères intelligents seront beaucoup plus légers. Nos bras robotisés n'ont pas besoin de moteurs, de systèmes hydrauliques ou pneumatiques ; ils fonctionnent simplement grâce à un courant électrique. De plus, les muscles en élastomère peuvent être fabriqués selon des formes adaptées aux exigences d'une application spécifique. Leur consommation d'énergie électrique est extrêmement faible : selon la capacité, les courants électriques qui circulent sont de l'ordre du microampère. « Ce type de robotique souple est très prometteur pour l'avenir, car sa fabrication est économe en énergie et rentable », résume Stefan Seelecke.

Ces recherches sont financées par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) dans le cadre du programme prioritaire SPP2100 « Systèmes robotiques en matériaux souples ».