Nos muscles sont de parfaits actionneurs naturels : des appareils qui transforment l’énergie en mouvement. Compte tenu de leur taille, les fibres musculaires sont plus puissantes et plus précises que la plupart des actionneurs synthétiques. Ils peuvent même guérir des dommages et devenir plus forts grâce à l’exercice.
Pour ces raisons, les ingénieurs explorent des moyens de propulser des robots dotés de muscles naturels. Ils ont présenté une poignée de robots « biohybrides » qui utilisent des actionneurs musculaires pour alimenter des squelettes artificiels qui marchent, nagent, pompent et agrippent. Mais pour chaque robot, il existe une construction très différente, et aucun plan général sur la façon de tirer le meilleur parti des muscles pour une conception de robot donnée.
Aujourd’hui, les ingénieurs du MIT ont développé un dispositif en forme de ressort qui pourrait être utilisé comme module de base de type squelette pour presque tous les robots musclés. Le nouveau ressort, ou « flexion », est conçu pour tirer le meilleur parti des tissus musculaires attachés. Comme une presse à jambes adaptée avec juste la bonne quantité de poids, l’appareil maximise la quantité de mouvement qu’un muscle peut naturellement produire.
Les chercheurs ont découvert que lorsqu’ils installaient un anneau de tissu musculaire sur l’appareil, un peu comme un élastique tendu autour de deux poteaux, le muscle tirait sur le ressort, de manière fiable et répétée, et l’étirait cinq fois plus, par rapport aux autres modèles d’appareils précédents. .
L’équipe considère la conception de la flexion comme un nouvel élément de base qui peut être combiné avec d’autres flexions pour construire n’importe quelle configuration de squelettes artificiels. Les ingénieurs peuvent ensuite équiper les squelettes de tissus musculaires pour alimenter leurs mouvements.
« Ces flexions sont comme un squelette que les gens peuvent désormais utiliser pour transformer l’actionnement musculaire en plusieurs degrés de liberté de mouvement de manière très prévisible », explique Ritu Raman, professeur de développement de carrière britannique et Alex d’Arbeloff en conception technique au MIT. « Nous donnons aux roboticiens un nouvel ensemble de règles pour créer des robots puissants et précis, dotés de muscles et capables de faire des choses intéressantes. »
Raman et ses collègues rapportent les détails de la nouvelle conception de flexion dans un article paru dans la revue Systèmes intelligents avancés. Les co-auteurs de l’étude au MIT incluent Naomi Lynch ’12, SM ’23 ; Tara Sheehan, étudiante de premier cycle ; les étudiants diplômés Nicolas Castro, Laura Rosado et Brandon Rios ; et professeur de génie mécanique Martin Culpepper.
Tirage musculaire
Lorsqu’il est laissé seul dans une boîte de Pétri dans des conditions favorables, le tissu musculaire se contracte tout seul mais dans des directions qui ne sont pas entièrement prévisibles ni d’une grande utilité.
« Si le muscle n’est attaché à rien, il bougera beaucoup, mais avec une énorme variabilité, où il se débattra simplement dans le liquide », explique Raman.
Pour faire fonctionner un muscle comme un actionneur mécanique, les ingénieurs attachent généralement une bande de tissu musculaire entre deux petits poteaux flexibles. Lorsque la bande musculaire se contracte naturellement, elle peut plier les poteaux et les rapprocher, produisant ainsi un mouvement qui alimenterait idéalement une partie du squelette robotique. Mais dans ces conceptions, les muscles ont produit un mouvement limité, principalement parce que les tissus sont très variables dans la manière dont ils entrent en contact avec les poteaux. En fonction de l’endroit où les muscles sont placés sur les poteaux et de la quantité de surface musculaire qui touche le poteau, les muscles peuvent réussir à rapprocher les poteaux, mais à d’autres moments, ils peuvent vaciller de manière incontrôlable.
Le groupe de Raman a cherché à concevoir un squelette qui concentre et maximise les contractions d’un muscle, quels que soient exactement l’endroit et la manière dont il est placé sur le squelette, afin de générer le plus de mouvements possible de manière prévisible et fiable.
« La question est : comment concevoir un squelette qui utilise le plus efficacement possible la force générée par le muscle ? » dit Raman.
Les chercheurs ont d’abord examiné les multiples directions dans lesquelles un muscle peut naturellement se déplacer. Ils ont estimé que si un muscle doit rapprocher deux poteaux dans une direction spécifique, les poteaux doivent être reliés à un ressort qui leur permet uniquement de se déplacer dans cette direction lorsqu’ils sont tirés.
« Nous avons besoin d’un appareil très souple et flexible dans une direction et très rigide dans toutes les autres directions, de sorte que lorsqu’un muscle se contracte, toute cette force soit efficacement convertie en mouvement dans une direction », explique Raman.
Flexion douce
Il s’avère que Raman a trouvé de nombreux appareils de ce type dans le laboratoire du professeur Martin Culpepper. Le groupe Culpepper du MIT est spécialisé dans la conception et la fabrication d’éléments de machines tels que des actionneurs miniatures, des roulements et d’autres mécanismes, qui peuvent être intégrés dans des machines et des systèmes pour permettre un mouvement, une mesure et un contrôle ultra précis, pour une grande variété d’applications. Parmi les éléments usinés avec précision par le groupe figurent des dispositifs de flexion, des dispositifs ressemblant à des ressorts, souvent constitués de poutres parallèles, qui peuvent fléchir et s’étirer avec une précision nanométrique.
« En fonction de la finesse et de la distance entre les poutres, vous pouvez modifier la rigidité du ressort », explique Raman.
Elle et Culpepper se sont associés pour concevoir une flexion spécialement adaptée avec une configuration et une rigidité permettant aux tissus musculaires de se contracter naturellement et d’étirer au maximum le ressort. L’équipe a conçu la configuration et les dimensions du dispositif sur la base de nombreux calculs effectués pour relier les forces naturelles d’un muscle à la rigidité et au degré de mouvement d’une flexion.
La flexion qu’ils ont finalement conçue correspond à 1/100 de la rigidité du tissu musculaire lui-même. L’appareil ressemble à une structure miniature en forme d’accordéon, dont les coins sont épinglés à une base sous-jacente par un petit poteau situé à proximité d’un poteau voisin fixé directement sur la base. Raman a ensuite enroulé une bande de muscle autour des deux poteaux d’angle (l’équipe a moulé les bandes à partir de fibres musculaires vivantes issues de cellules de souris) et a mesuré à quel point les poteaux étaient rapprochés lorsque la bande musculaire se contractait.
L’équipe a constaté que la configuration de la flexion permettait à la bande musculaire de se contracter principalement dans la direction entre les deux poteaux. Cette contraction ciblée a permis au muscle de rapprocher les poteaux beaucoup plus près, cinq fois plus près, par rapport aux modèles d’actionneurs musculaires précédents.
« La flexion est un squelette que nous avons conçu pour être très souple et flexible dans une direction et très rigide dans toutes les autres directions », explique Raman. « Lorsque le muscle se contracte, toute la force est convertie en mouvement dans cette direction. C’est un énorme grossissement. »
L’équipe a découvert qu’elle pouvait utiliser l’appareil pour mesurer avec précision les performances musculaires et l’endurance. Lorsqu’ils faisaient varier la fréquence des contractions musculaires (par exemple, en stimulant les bandes pour qu’elles se contractent une fois contre quatre fois par seconde), ils ont observé que les muscles « se fatiguaient » à des fréquences plus élevées et ne généraient pas autant de traction.
« En regardant à quelle vitesse nos muscles se fatiguent et comment nous pouvons les exercer pour avoir des réponses de haute endurance, c’est ce que nous pouvons découvrir avec cette plateforme », explique Raman.
Les chercheurs adaptent et combinent désormais les flexions pour construire des robots précis, articulés et fiables, propulsés par des muscles naturels.
« Un exemple de robot que nous essayons de construire à l’avenir est un robot chirurgical capable d’effectuer des procédures mini-invasives à l’intérieur du corps », explique Raman. « Techniquement, les muscles peuvent alimenter des robots de n’importe quelle taille, mais nous sommes particulièrement enthousiastes à l’idée de fabriquer de petits robots, car c’est là que les actionneurs biologiques excellent en termes de force, d’efficacité et d’adaptabilité. »
