Robot-grenouille à tiges élastiques : plus vite que les pattes rigides

Vous vous souvenez sans doute du tour des « crayons dansants » vu en classe : deux crayons passés dans un élastique, tordus, puis qui s'écartent brusquement une fois relâchés ? Des chercheurs de l'UCLA et de l'Université du Michigan ont transposé ce principe de tension emmagasinée dans un robot-grenouille capable de franchir l'herbe, le sable et de petites marches. Ses membres ne sont pas poussés lentement par un moteur. Ils sont chargés d'énergie, puis libérés en un seul claquement.

Pour une machine aussi petite, les obstacles sont banals. L'herbe, un sol irrégulier, de minuscules flaques et des objets épars peuvent suffire à arrêter un robot à peine plus haut qu'eux. Un saut permet de les franchir, mais il exige une poussée forte et très rapide, et les petits moteurs qui animent ces robots fournissent un mouvement régulier et continu, et non des impulsions. Les ressorts peuvent combler cet écart : un moteur les charge lentement, puis ils restituent l'énergie d'un seul coup. Des poutres à claquement ont également été essayées, mais dans une structure tridimensionnelle, elles peuvent basculer violemment ou se courber progressivement, selon leur forme et la façon dont elles sont sollicitées.

L'équipe a cherché à établir précisément ce qui sépare un claquement net d'une flexion lente. Elle a d'abord utilisé des modèles informatiques pour prédire la réponse de tiges élastiques à des combinaisons de flexion et de torsion, puis un bras robotisé pour tester ces prédictions sur des tiges réelles. Cette démarche a permis de cartographier les conditions qui produisent un claquement propre, et c'est à partir de cette cartographie que les membres du robot ont été conçus. Chaque membre est une tige droite enroulée en hélice, fixée à une extrémité et tournée à l'autre par un petit servomoteur. Dès que la forme de la tige devient instable, elle bascule dans une autre configuration en prenant appui sur le sol. Le moteur réarme ensuite le membre, en grande partie pendant que le robot est en l'air. L'équipe a également dû trouver un équilibre entre force et réarmement : certaines formes libèrent davantage d'énergie mais exigent de plus grandes rotations du moteur entre deux sauts. La conception retenue offre une poussée forte et un réarmement suffisamment rapide pour enchaîner les bonds.

Dans l'étude publiée dans Science Advances, l'équipe a construit un robot long de 11 cm (4,3 in), pesant 98,2 g (3,5 oz), doté de deux pattes arrière à claquement, et l'a comparé à une version identique en puissance, équipée de pattes rigides. Le robot à claquement a été plus rapide sur toutes les surfaces, atteignant 3,21 longueurs de corps par seconde sur le bois et une moyenne de 2,46 longueurs de corps par seconde sur les six surfaces, contre 0,79 pour la version à pattes rigides. L'écart était le plus marqué sur le tissu et l'herbe, où le robot à pattes rigides a presque calé. Le prototype a aussi franchi de petites marches, enchaîné les saltos arrière et, avec de fines nageoires souples, nagé à environ une demi-longueur de corps par seconde, en contournant des obstacles, y compris par temps venteux. Pour l'instant, il reste un prototype de recherche : sa direction a été démontrée à distance, dans un bac à sable rempli de cailloux, et à l'aide de capteurs de lumière, et l'équipe n'a mesuré sa vitesse que face à son jumeau à pattes rigides.

Les équipes d'inspection et les secouristes qui interviennent sur des sites encombrés de débris pourraient trouver un intérêt à un robot qui franchit les gravats au lieu de rester coincé, et qui peut en plus nager avec les mêmes membres, ce qui élargit ses zones d'action. Les chercheurs voient un second avantage au-delà de la navigation : la mécanique accomplit une partie du travail qui exigerait sinon un moteur plus puissant ou une commande plus complexe. Huang, l'un des chercheurs, suggère que ce principe pourrait convenir à une pince robotisée à fermeture rapide. Ces usages ne sont pas encore démontrés, et ils dépendent d'abord de la capacité du robot à faire ses preuves face à d'autres petits robots, ce que l'étude n'a pas encore fait.