Le FiberMotor de l'EPFL, un moteur fin comme un fil qui coulisse comme un télescope pour alimenter les robots souples

Un moteur qui ressemble plus à un fil qu'à une machine

Des ingénieurs de l'EPFL, en Suisse, ont construit un moteur flexible qui ressemble à un fil, un format qui détonne avec presque tout ce que le mot « moteur » évoque habituellement. Le dispositif, que l'équipe appelle FiberMotor, est flexible plutôt que rigide, et il s'étend d'une manière qui rappelle les sections coulissantes d'un télescope. L'intention derrière cette conception est d'alimenter des robots souples et des objets portables, deux catégories de technologies longtemps freinées par les entraînements rigides et cubiques qui se trouvent en leur cœur.

Le principe est simple à énoncer et difficile à concevoir : si la machine construite est souple, ce qui la met en mouvement ne devrait pas être l'objet le plus dur de l'assemblage. FiberMotor est une tentative de combler cet écart en partant de l'actionneur lui-même plutôt qu'en traitant la flexibilité comme une réflexion après coup appliquée autour d'un matériel conventionnel.

Pourquoi les robots souples se heurtent sans cesse à des moteurs durs

La robotique souple a passé des années à développer des corps qui se plient, s'étirent, saisissent des objets délicats et absorbent les impacts sans se briser. Le versant matériaux du domaine a progressé rapidement, avec des élastomères, des textiles et des structures conformables qui peuvent se tordre et fléchir d'une manière impossible pour des liaisons métalliques. Le problème surgit au moment de l'actionnement. Les moteurs, les réducteurs et les lignes de transmission qui les relient sont généralement rigides, et les boulonner sur un corps pliable crée une inadéquation mécanique.

Cette inadéquation se manifeste de plusieurs façons pratiques :

• Les composants rigides deviennent la partie la plus lourde et la plus fragile d'un système censément souple, limitant la conformabilité réelle de la machine entière.
• Le poids se concentre aux articulations où se trouve le moteur, ce qui contraint les formes qu'un concepteur peut construire et les mouvements que le dispositif peut exécuter en toute sécurité.
• Les interfaces entre le matériel rigide et le matériau souple deviennent des points d'usure, les endroits où un dispositif risque le plus de se fatiguer ou de défaillir.
• L'encombrement limite la capacité d'un robot souple à imiter un membre biologique, qui possède généralement un muscle distribué plutôt qu'un seul entraînement dense.

Un moteur qui est lui-même flexible et filiforme s'attaque à cette inadéquation à la source. Au lieu de concevoir autour d'un bloc rigide, les ingénieurs travailleraient avec un actionneur qui peut être acheminé, courbé et intégré dans une structure pliable, un peu comme un tendon ou un câble.

Le comportement télescopique, expliqué simplement

La comparaison que les chercheurs privilégient est celle d'un télescope, et l'analogie porte sur la façon dont le dispositif change de longueur. Un télescope s'étend en faisant coulisser des segments imbriqués les uns par rapport aux autres, gagnant en portée sans acquérir un corps rigide de cette longueur totale. FiberMotor est décrit comme coulissant d'une manière comparable, ce qui suggère un mécanisme capable de se déployer vers l'extérieur à partir d'une forme compacte et flexible plutôt que de s'appuyer sur un arbre ou un rotor conventionnel.

Cela compte pour la conception du mouvement. L'extension télescopique donne à un système souple un moyen d'atteindre, de pousser ou de s'allonger le long d'un axe tandis que l'actionneur lui-même reste souple. Pour les robots qui doivent s'étendre dans des espaces confinés, ou pour les dispositifs portables qui doivent suivre les contours d'un corps en mouvement, un actionneur qui change de longueur à la demande sans imposer une colonne vertébrale rigide est un élément de construction nettement différent d'un moteur associé à une vis à billes rigide.

Les objets portables, seconde moitié du pari

La technologie portable connaît un problème parallèle. Les dispositifs portés sur le corps sont jugés sur le confort, le poids et leur faible interférence avec les mouvements naturels, mais les objets portables d'assistance motorisés ont traditionnellement été construits à partir de cadres rigides et de moteurs bien visibles sur la hanche, le genou ou le dos. La robotique proche du vêtement, en revanche, aurait besoin d'entraînements pouvant être tissés dans le tissu ou disposés le long d'un membre sans créer de point de pression ni de bord dur.

Un moteur filiforme correspond conceptuellement à ce cahier des charges. La fabrication textile traite déjà à grande échelle des matériaux flexibles et allongés, de sorte qu'un actionneur en forme de filament est au moins compatible avec la façon dont les vêtements sont faits. Les mêmes propriétés qui rendraient FiberMotor utile dans un robot souple — flexibilité, profil fin, capacité à s'étendre sur sa propre longueur — sont celles dont un entraînement portable aurait besoin.

Ce qui n'a pas encore été établi

L'annonce d'un dispositif à un stade précoce laisse les questions d'ingénierie en suspens. Le FiberMotor de l'EPFL est présenté comme un moteur flexible qui ressemble à un fil et s'étend de façon télescopique pour la robotique souple et les objets portables, mais la description principale ne tranche pas la question de la force qu'un tel moteur peut produire, de l'efficacité avec laquelle il convertit l'énergie en mouvement, du nombre de cycles qu'il peut supporter avant que les éléments flexibles ne se dégradent, ni de la façon dont il est alimenté et contrôlé dans un système réel.

Ce sont ces chiffres qui déterminent si un actionneur ingénieux devient un composant pratique. Les actionneurs souples échangent souvent densité de force et précision contre conformabilité, et la question intéressante pour FiberMotor est de savoir où il se situe dans ce compromis. Un objet portable qui assiste une articulation, par exemple, a besoin de suffisamment de force pour compter, tandis qu'un robot souple manipulant des objets fragiles a besoin d'un contrôle fin. Savoir si un moteur filiforme télescopique peut fournir l'un ou l'autre à des niveaux utiles est la prochaine chose à observer.

Un schéma familier dans la recherche sur les actionneurs

FiberMotor s'inscrit dans un effort plus large visant à faire correspondre l'actionnement à la souplesse des structures qu'il entraîne. Des groupes de recherche en Europe, en Asie et en Amérique du Nord ont expérimenté des muscles artificiels, des tendons à câbles, des chambres pneumatiques et des actionneurs électrostatiques, tous poursuivant le même objectif sous des angles différents : déplacer des machines conformables avec du matériel conformable. La contribution de l'EPFL ajoute une option filiforme et télescopique à ce menu.

La valeur d'une nouvelle catégorie d'actionneurs réside rarement dans le fait qu'elle remplace purement et simplement les moteurs existants. Elle réside dans l'ouverture d'un espace de conception. Si un moteur peut être aussi fin et flexible qu'un fil, alors les membres robotiques, les exosquelettes et les aides portables n'ont plus besoin d'être organisés autour d'un entraînement rigide au niveau d'une articulation. Ils peuvent être organisés autour d'un actionnement distribué et compatible avec le textile — plus proche de la façon dont le muscle biologique est agencé.

Pour l'instant, FiberMotor est une forme prometteuse plutôt qu'un produit éprouvé. Le fil coulisse, le télescope s'étend, et les applications citées sont les robots souples et les objets portables. Le travail à venir est la partie ingrate : mesurer la durabilité, la puissance de sortie et le contrôle, puis montrer le dispositif fonctionnant de manière fiable à l'intérieur d'une machine réelle.

Cet article est basé sur un reportage d'Interesting Engineering. Lire l'article original.