Des chercheurs du MIT ont conçu un doigt robotique doté d'une pointe acérée et de capteurs tactiles pour relever le défi de l'identification d'objets enfouis. Lors d'expériences, ce doigt, baptisé Digger Finger, a pu creuser dans des milieux granulaires tels que le sable et le riz, et détecter avec précision la forme des objets immergés rencontrés. Les chercheurs affirment que ce robot pourrait un jour effectuer diverses tâches souterraines, comme la localisation de câbles enterrés ou le désamorçage de bombes.

Ces travaux de recherche seront présentés lors du prochain Symposium international sur la robotique expérimentale. L'auteur principal de l'étude est Radhen Patel, chercheur postdoctoral au Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL) du MIT. Parmi les co-auteurs figurent Branden Romero, doctorant au CSAIL, Nancy Ouyang, doctorante à l'Université Harvard, et Edward Adelson, professeur titulaire de la chaire John et Dorothy Wilson en sciences de la vision au CSAIL et au Département des sciences cognitives et du cerveau.

La recherche d'objets enfouis dans des matériaux granulaires (sable, gravier et autres particules meubles) n'est pas nouvelle. Auparavant, les chercheurs utilisaient des technologies de détection du sous-sol depuis la surface, comme le géoradar ou les ultrasons. Mais ces techniques n'offrent qu'une vision imprécise des objets immergés. Par exemple, elles peinent à distinguer la roche de l'os.

« L’idée est donc de créer un doigt doté d’un bon sens du toucher, capable de distinguer les différentes sensations », explique Adelson. « Ce serait utile, par exemple, pour localiser et désamorcer des bombes enfouies. » La réalisation de ce projet a nécessité de surmonter de nombreux obstacles.

Le premier défi de l'équipe était d'ordre formel : le doigt robotique devait être fin et avoir une pointe acérée.

Dans des travaux antérieurs, les chercheurs avaient utilisé un capteur tactile appelé GelSight. Ce capteur était constitué d'un gel transparent recouvert d'une membrane réfléchissante qui se déformait sous la pression d'objets. Derrière la membrane se trouvaient des LED de trois couleurs différentes et une caméra. La lumière traversait le gel et se projetait sur la membrane, tandis que la caméra capturait le motif de réflexion de cette dernière. Des algorithmes de vision par ordinateur extrayaient ensuite la forme 3D de la zone de contact où le doigt effleurait l'objet. Le dispositif offrait une excellente sensation tactile artificielle, mais son encombrement était un inconvénient.

Pour le Digger Finger, les chercheurs ont réduit la taille de leur capteur GelSight de deux manières principales. Ils lui ont d'abord donné la forme d'un fin cylindre à l'extrémité biseautée. Ensuite, ils ont supprimé les deux tiers des LED et utilisé une combinaison de LED bleues et de peinture fluorescente colorée. « Cela a permis de simplifier considérablement le dispositif et de gagner de la place », explique Ouyang. « C'est ce qui nous a permis de le rendre si compact. » Le produit final est un appareil dont la membrane tactile mesure environ 2 centimètres carrés, soit la taille d'un bout de doigt.

Une fois le problème de taille résolu, les chercheurs se sont concentrés sur le mouvement, en fixant le doigt sur un bras robotisé et en le faisant creuser dans du sable fin et du riz à gros grains. Les milieux granulaires ont tendance à s'encrasser lorsque de nombreuses particules s'y retrouvent piégées, ce qui entrave la pénétration. L'équipe a donc ajouté des vibrations aux capacités du Digger Finger et l'a soumis à une série de tests.

« Nous voulions observer comment les vibrations mécaniques permettaient de creuser plus profondément et de débloquer les obstructions », explique Patel. « Nous avons fait fonctionner le moteur vibrant à différentes tensions, ce qui modifie l'amplitude et la fréquence des vibrations. » Ils ont constaté que des vibrations rapides contribuaient à « fluidifier » le milieu, éliminant ainsi les obstructions et permettant un creusement plus profond, même si cet effet de fluidification était plus difficile à obtenir dans le sable que dans le riz.

Ils ont également testé différents mouvements de torsion sur du riz et du sable. Il arrivait que des grains de chaque matériau se coincent entre la membrane tactile du Digger-Finger et l'objet enfoui qu'il tentait de détecter. Dans le cas du riz, les grains coincés étaient suffisamment gros pour masquer complètement la forme de l'objet, mais un léger mouvement du robot permettait généralement de les dégager. Le sable était plus difficile à retirer, mais la petite taille des grains permettait tout de même au Digger-Finger de distinguer les contours généraux de l'objet.

Patel explique que les opérateurs devront adapter le schéma de déplacement du Digger Finger aux différentes configurations « en fonction du type de support et de la taille et de la forme des grains ». L'équipe prévoit de poursuivre l'exploration de nouveaux mouvements afin d'optimiser la capacité du Digger Finger à se déplacer dans différents supports.

Selon Adelson, le Digger Finger fait partie d'un programme visant à étendre les domaines d'application du toucher robotique. Les humains utilisent leurs doigts dans des environnements complexes, que ce soit pour trouver une clé dans une poche ou pour palper une tumeur lors d'une intervention chirurgicale. « À mesure que nous perfectionnons le toucher artificiel, nous souhaitons pouvoir l'utiliser dans des situations où l'on est entouré de nombreuses informations parasites », explique Adelson. « Nous voulons être capables de distinguer l'essentiel du superflu. ».

Ces recherches ont été financées, en partie, par le Toyota Research Institute par le biais du Toyota-CSAIL Joint Research Centre, l'Office of Naval Research et le Conseil norvégien de la recherche.