Ingénieurs de Stanford : une main robotique à préhension inspirée du gecko
L'université de Stanford a réalisé de grands progrès au fil des ans avec sa main robotique inspirée des geckos. En mai 2021, une version de la « préhension façon gecko » a même été envoyée à bord de la Station spatiale internationale pour tester sa capacité à accomplir des tâches telles que la collecte de débris et la capture de satellites.
De nombreuses mains et pinces robotiques partagent un même ennemi : le « problème de la tomate héritée de la famille », comme le disent les chercheurs. Vous avez peut-être vu une pince robotique saisir habilement un œuf ou manipuler un ballon de basket avec aisance, mais, contrairement à une main humaine, une seule pince peine à faire les deux, et la tâche clé reste cachée au milieu.
« On voit des mains robotiques réaliser une prise puissante et une prise précise, puis on suppose qu'elles peuvent faire tout ce qui se situe entre les deux. Nous voulions résoudre la manière de concevoir des manipulateurs à la fois habiles et puissants »
Le fruit de cet objectif est « farmHand », une main robotique conçue par les ingénieurs Ruotolo et Dane Brower (doctorant du laboratoire de biomimétique et de manipulation adroite de Stanford, également connu sous le nom de « Ferme ») et décrite en détail dans un article publié dans Science Robotics. Lors de leurs tests, les chercheurs ont démontré que farmHand peut manipuler un large éventail d'objets, notamment des œufs crus, des grappes de raisin, des assiettes, des carafes de liquide, des ballons de basket et même une meuleuse d'angle.
FarmHand s'inspire de deux formes de biologie. Si ses doigts articulés rappellent la main humaine, bien qu'à quatre doigts, ils sont recouverts d'une colle semblable à celle du gecko. Ce matériau adhérent mais non collant est basé sur la structure des orteils du gecko et a été mis au point au cours de la dernière décennie par le laboratoire de biomimétique et de manipulation adroite sous la direction de Mark Cutkosky, professeur à l'École d'ingénierie, également auteur principal de cette étude.
Utiliser une colle de gecko sur une pince anthropomorphe multidoigts était une première, un défi exigeant une attention particulière aux tendons qui commandent les doigts de farmHand et à la conception des coussinets des doigts sous la colle.
Comme les orteils du gecko, la colle de gecko assure une fixation solide grâce à de minuscules lamelles. Au contact complet d'une surface, ces lamelles créent une force de Van der Waals, une faible force intermoléculaire qui résulte de légères différences dans la position des électrons à la surface des molécules. Il en résulte que la colle peut fortement adhérer, tout en ne nécessitant qu'un effort minime. Autre avantage : elle n'est pas collante au toucher et ne laisse pas de traces.
« Les premières applications de la colle de gecko concernaient l'escalade robotisée, l'escalade humaine ou la préhension d'objets très grands et lisses dans l'espace. Mais nous avons toujours envisagé de l'utiliser pour des applications plus pratiques. Le problème, c'est que la colle de gecko est en réalité très capricieuse »
Le point clé est que la colle de gecko doit se lier à la surface d'une manière précise pour activer la force de Van der Waals. Cela reste assez facile à contrôler lorsqu'elle est appliquée uniformément sur une surface plane, mais bien plus difficile lorsque la préhension fait intervenir plusieurs parties collantes en contact avec l'objet sous différents angles, comme c'est le cas avec farmHand.
Les coussinets des doigts de farmHand, situés sous les zones encollées, aident à résoudre ce problème. Ils sont constitués d'une structure pliante et nervurée, qui se courbe avec un faible effort. Quels que soient l'emplacement ou l'angle de contact, les nervures se courbent en continu pour répartir des forces égales sur les coussinets collants et éviter le glissement prématuré de l'un d'entre eux.
« Si vous déplacez ces nervures, la courbure produit la même force, quel que soit le point de départ. C'est un comportement physique simple qui pourrait être appliqué même en dehors de la robotique, par exemple comme semelle de chaussure ou pour des pneus de véhicules tout-terrain »
Les tendons de la main sont également essentiels, car ils permettent d'étendre excessivement la compression. Alors que de nombreuses mains et pinces robotiques serrent les objets en forme de « C », comme si elles soulevaient quelque chose du bout des doigts, farmHand comprime un coussinet du bout de ses doigts en le pressant contre un autre coussinet. Cela offre à la colle une plus grande surface de travail.
Obtenir la bonne conception a été particulièrement difficile, car les simulations informatiques existantes rendent difficile la prédiction des performances réelles avec des objets mous, un facteur supplémentaire dans le problème des pinces robotiques. Mais les chercheurs ont grandement profité de la possibilité d'imprimer en 3D et de tester de nombreux composants plastiques rigides et souples en cycles relativement rapides. Ils vont jusqu'à suggérer que leur succès aurait été impossible, ou du moins beaucoup plus lent, il y a seulement cinq ans.
De nouvelles améliorations de farmHand pourraient prendre la forme de fonctions de retour d'information aidant les utilisateurs à comprendre comment il saisit et comment mieux le faire lorsque la main est utilisée. Les chercheurs envisagent également une application commerciale de leurs travaux.
