Des chercheurs du MIT ont créé un microrobot doté d'actionneurs souples
Lorsqu'il s'agit de robots, plus n'est pas toujours mieux. Un jour, un essaim de robots de la taille d'un insecte pourra polliniser les cultures ou rechercher des survivants parmi les décombres d'un bâtiment détruit.
Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont présenté de minuscules drones capables de se déplacer avec une agilité et une stabilité semblables à celles d'un insecte, et qui pourront à terme accomplir ces tâches.
Les actionneurs souples qui animent ces microrobots sont très résistants, mais ils nécessitent une tension beaucoup plus élevée que les actionneurs rigides de taille comparable. Les robots légers ne peuvent pas embarquer l'électronique de puissance nécessaire pour voler de manière autonome.
Les chercheurs ont été les premiers à mettre au point une technique de fabrication permettant de créer des actionneurs souples fonctionnant avec une tension inférieure de 75 % à celle des versions actuelles, et capables de porter une charge utile supérieure de 80 %. Ces actionneurs souples ressemblent à des muscles artificiels qui font battre rapidement les ailes du robot.
Cette nouvelle technique de fabrication permet de créer des muscles artificiels présentant moins de défauts, ce qui prolonge considérablement la durée de vie des composants et améliore les performances et la charge utile du robot.
« Cela ouvre de nombreuses possibilités pour l'avenir, notamment celle d'intégrer de l'électronique de puissance dans le microrobot. Les gens ont tendance à penser que les robots souples sont moins performants que les robots rigides. Nous démontrons que ce robot, qui pèse moins d'un gramme, vole le plus longtemps avec le moins d'erreurs en vol stationnaire. L'idée principale est que les robots souples peuvent surpasser les robots rigides en termes de performances »
Le microrobot rectangulaire possède quatre paires d'ailes, chacune animée par un actionneur souple. Ces actionneurs musculaires sont constitués de couches d'élastomère prises en sandwich entre deux électrodes très minces, puis enroulées en un cylindre souple. Lorsqu'une tension est appliquée à l'actionneur, les électrodes compriment l'élastomère, et cette contrainte mécanique sert à faire battre l'aile.
Plus la surface de l'actionneur est grande, moins la tension nécessaire est élevée. Chen et son équipe fabriquent ces muscles artificiels en alternant le plus grand nombre possible de couches ultrafines d'élastomère et d'électrode. À mesure que les couches d'élastomère s'amincissent, elles deviennent plus instables.
Pour la première fois, les chercheurs ont réussi à créer un actionneur à 20 couches, chacune d'une épaisseur de 10 micromètres (soit environ le diamètre d'un globule rouge). Mais pour y parvenir, ils ont dû réinventer certaines parties du processus de fabrication.
L'un des principaux obstacles était le procédé d'enduction par centrifugation. Pendant l'enduction par cette méthode, l'élastomère est déposé sur une surface plane et mis en rotation rapide, la force centrifuge étirant le film vers l'extérieur et l'amincissant.
« Au cours de ce processus, de l'air se retrouve piégé dans l'élastomère et forme de nombreuses microbulles. Le diamètre de ces bulles d'air n'est que d'un micromètre, c'est pourquoi nous les ignorions auparavant. Mais à mesure que les couches deviennent de plus en plus fines, l'effet des bulles d'air devient de plus en plus important. C'est pourquoi on ne peut pas fabriquer de couches très fines »
Les chercheurs ont constaté qu'en effectuant un vide immédiatement après l'enduction par centrifugation, alors que l'élastomère est encore humide, les bulles d'air sont éliminées. Ils font ensuite cuire l'élastomère pour qu'il sèche.
Selon Chen, l'élimination de ces défauts augmente la puissance de sortie de l'actionneur de plus de 300 % et prolonge considérablement sa durée de vie.
Les chercheurs ont également optimisé les électrodes minces, constituées de nanotubes de carbone, des faisceaux de carbone extrêmement résistants dont le diamètre représente environ 1/50 000 de celui d'un cheveu humain. Des concentrations plus élevées de nanotubes de carbone augmentent la puissance de sortie de l'actionneur et réduisent la tension, mais les couches denses contiennent aussi davantage de défauts.
Par exemple, les nanotubes de carbone ont des extrémités pointues et peuvent perforer l'élastomère, provoquant un court-circuit du dispositif. Après de longs essais et erreurs, les chercheurs ont trouvé la concentration optimale. Un autre problème survient lors de l'étape de durcissement : plus on ajoute de couches, plus l'actionneur met de temps à sécher.
« La première fois que j'ai demandé à mon élève de fabriquer un actionneur multicouche, il a obtenu 12 couches, mais il a dû attendre deux jours qu'il durcisse. C'est absolument inacceptable, surtout si l'on veut augmenter le nombre de couches »
Ils ont constaté qu'une cuisson de chaque couche pendant quelques minutes, juste après le transfert des nanotubes de carbone sur l'élastomère, réduit le temps de durcissement à mesure que des couches supplémentaires sont ajoutées.
Après avoir utilisé cette technique pour créer un muscle artificiel à 20 couches, les chercheurs l'ont comparé à leur précédente version à six couches et aux actionneurs rigides modernes.
Lors des essais de décollage, l'actionneur à 20 couches, qui fonctionne avec moins de 500 volts, a fourni suffisamment d'énergie pour donner au robot un rapport poussée/poids de 3,7:1, lui permettant de soulever des objets presque trois fois plus lourds que lui.
Ils ont également démontré un vol stationnaire de 20 secondes. Le robot en suspension est resté plus stable que tout autre. L'actionneur à 20 couches a continué de fonctionner sans défaillance après plus de deux millions de cycles, ce qui dépasse largement la durée de vie des autres actionneurs.
« Il y a deux ans, nous avons créé un actionneur à puissance maximale, et il pouvait à peine voler. Nous nous sommes demandé si les robots souples pourraient un jour rivaliser avec les robots rigides. Nous avons observé un défaut après l'autre, alors nous avons continué à travailler et à résoudre un problème de fabrication après l'autre, et aujourd'hui les performances de l'actionneur souple ne sont plus inférieures. Elles sont même légèrement meilleures que celles des rigides modernes. Et en science des matériaux, il existe encore un certain nombre de procédés de fabrication que nous ne comprenons pas. Je suis donc très heureux de poursuivre la réduction de la tension d'actionnement »
Chen espère collaborer avec Niroui pour fabriquer des actionneurs dans la salle blanche MIT.nano et utiliser des technologies de nanofabrication. Aujourd'hui, son équipe est limitée dans la finesse des couches par la poussière présente dans l'air et par la vitesse maximale d'enduction. Travailler en salle blanche élimine ce problème et leur permet d'utiliser des méthodes plus précises que l'enduction par centrifugation.
Bien que Chen soit passionné par la fabrication de couches d'actionneurs de 10 micromètres, il espère réduire leur épaisseur à un micromètre, ce qui ouvrirait la voie à de nombreuses applications de ces robots de la taille d'un insecte.
