La force et la souplesse du cou de la girafe inspirent un nouveau robot au Japon

Lorsqu'on pense à la souplesse des robots, les meilleurs exemples se trouvent généralement chez les robots souples imitant les tentacules de la pieuvre ou la trompe de l'éléphant, qui possèdent des capacités uniques. Mais la plupart des animaux sont dans une certaine mesure souples et flexibles, généralement combinés à une structure interne rigide. 

C'est un système complexe, mais qui présente certains avantages importants en termes de puissance et de contrôle. Des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo ont expérimenté la reproduction de ce qui est peut-être l'une des combinaisons les plus impressionnantes de souplesse et de force dans le monde animal : le cou de la girafe. 

Ce travail reste pour l'instant de nature exploratoire et doit surtout aider à trouver des moyens de transférer l'anatomie d'un animal réel à la technique. Pourtant, le cou robotisé sait déjà se déplacer à l'image de son modèle et même s'adapter à la force appliquée (exercée par les mains des ingénieurs). Ce prototype est encore loin de tout ce que savent faire les girafes vivantes, mais les ingénieurs prévoient d'accroître sa souplesse et son endurance.

« Le cou de la girafe présente d'excellentes caractéristiques qui peuvent servir d'alternative intéressante à la conception d'un grand mécanisme robotisé. Par exemple, le cou peut se déplacer rapidement lorsque les girafes se frappent mutuellement avec le cou. De plus, le cou de la girafe aide à prévenir les chocs et s'adapte à la forme et à la dureté du cou de l'adversaire. À l'inverse, un mécanisme robotisé classique a des capacités limitées pour atteindre de telles caractéristiques de puissance et de souplesse, c'est-à-dire être puissant tout en résistant aux chocs, ainsi qu'une adaptabilité cinématique et dynamique face à l'adversaire », indique l'étude. 

Les cous des girafes peuvent peser jusqu'à 150 kilogrammes et atteindre 2 mètres de long, mais au cours de l'évolution, ils sont devenus souples et puissants non seulement pour accéder aux feuilles savoureuses situées en hauteur, mais aussi parce que les girafes mâles se battent entre elles avec le cou, parfois jusqu'à la mort. Quelle meilleure source d'inspiration pour concevoir de grands robots, n'est-ce pas ?

Pour commencer la création d'un robot puissant et souple, les chercheurs ont construit un robot squelettique-musculaire à moitié échelle, imitant la structure et le mécanisme du cou de la girafe à partir de connaissances anatomiques, et ont reproduit une partie de ses caractéristiques.

Le dispositif comprend un mécanisme squelettique fabriqué à l'aide d'une imprimante 3D, un mécanisme de compensation de la gravité imitant le ligament nucal à l'aide d'un matériau caoutchouteux et de tendeurs, un système de commande musculaire redondant utilisant de fines muscles artificiels et une articulation spéciale utilisant des disques en caoutchouc et des ligaments imitant.

Le cou robotisé de girafe fait de son mieux pour imiter la structure d'un véritable cou de girafe, avec une disposition similaire des vertèbres et des tendons, ainsi que de fins muscles artificiels pneumatiques McKibben fournissant une force de contraction, exactement comme le font les vrais muscles. C'est complexe, mais cela offre une souplesse considérable.

Les auteurs de l'article notent que les girafes peuvent utiliser la force et la souplesse de leur cou lors de contacts entre elles de manière non destructrice, ce que ne peuvent pas faire les systèmes mécaniques classiques.

Jusqu'à présent, les chercheurs n'ont pas développé de machines ou de robots présentant les mêmes caractéristiques de puissance et de souplesse que le cou de la girafe. Par exemple, si deux grues industrielles réelles se battaient, on imagine facilement que les dégâts seraient catastrophiques, les deux grues finissant par tomber en panne. Comparez cela au cou des vraies girafes, qui est moins destructeur et ne fait pas de choses étranges.

Quoi qu'il en soit, les chercheurs suggèrent que la conception d'un système robotisé combinant de manière pratique puissance, souplesse et contrôle pourrait être plus simple avec un modèle de cou de girafe qu'avec un modèle de trompe d'éléphant. On peut sacrifier une partie de la douceur et de la souplesse et faire en sorte qu'il fonctionne réellement de manière à pouvoir exercer l'effort nécessaire à des applications industrielles.

Ce robot s'appelle « Robot au cou de girafe n°1 ». Bien que le nom ne soit pas très créatif, il laisse entendre que d'autres robots suivront. Apparemment, la prochaine étape consistera à augmenter la puissance de plusieurs ordres de grandeur en utilisant des actionneurs hydrauliques plutôt que pneumatiques.

« Cette étude vise à appliquer ces excellentes caractéristiques du cou de la girafe à la conception de mécanismes robotisés. En particulier, des roboticiens et des zooanatomistes ont uni leurs efforts pour développer un long robot squelettique-musculaire puissant et souple, basé sur l'anatomie du cou de la girafe. Le prototype de robot squelettique-musculaire est actionné par de fines muscles artificiels pneumatiques McKibben, qui se plient facilement. Les résultats confirment la coordination entre les muscles et les ligaments et l'adaptabilité de la forme à une force externe », ont déclaré les chercheurs. 

Les résultats expérimentaux indiquent que les scientifiques sont parvenus à obtenir, avec l'analogue robotisé, des mécanismes capables de fournir une puissance et une souplesse comparables à celles des girafes. Sachant que l'évolution a produit les meilleures solutions d'ingénierie avec quatre milliards d'années d'avance, il ne reste aux scientifiques qu'à chercher des solutions à leurs problèmes dans la nature vivante.