Chapitre 1 : Robotique bio-inspirée
Il existe une sous-classe du design bio-inspiré qui est connue sous le nom de locomotion robotique bio-inspirée. Il s'agit d'acquérir des connaissances sur les phénomènes naturels et de les mettre en pratique dans la conception de systèmes techniques utilisés dans le monde réel. Plus précisément, cette discipline s'intéresse à la création de robots modélisés d'après des systèmes biologiques, y compris des applications de biomimétisme. Le « biomimétisme » fait référence au processus de reproduction de phénomènes naturels, tandis que le « design bio-inspiré » fait référence au processus d'apprentissage de la nature et de développement d'un mécanisme à la fois plus simple et plus efficace que le système observé dans la nature. Un sous-domaine distinct de la robotique, connu sous le nom de robotique douce, a émergé à la suite de l'utilisation du biomimétisme. À des fins particulières, les systèmes biologiques ont été optimisés en fonction de l'environnement dans lequel ils se trouvent. Néanmoins, ils sont conçus pour remplir plusieurs fonctions et ne sont pas destinés à être utilisés pour une seule fonction particulière. L'étude des systèmes biologiques et la recherche de processus susceptibles de résoudre un problème dans le domaine de l'ingénierie sont les deux principaux axes des chercheurs en robotique bio-inspirée. Après cela, le concepteur doit faire un effort pour simplifier et améliorer ce mécanisme afin de mieux l'adapter à la tâche particulière qui l'intéresse. Les chercheurs qui s'intéressent à la robotique bio-inspirée s'intéressent généralement aux biocapteurs (tels que l'oil), aux bioactionneurs (tels que les muscles) ou aux biomatériaux (tels que la soie d'araignée). La grande majorité des robots sont équipés d'une sorte de système de locomotion. Le but de cet article est de présenter différents types de locomotion animale ainsi que quelques exemples de robots bio-inspirés qui sont respectivement en corrélation avec ces modes.
D'une manière générale, la biolocomotion, souvent connue sous le nom de mouvement animal, peut être classée comme suit :
Il existe deux types de mouvements qui peuvent se produire sur une surface : la locomotion terrestre et la locomotion arboricole. Dans la section suivante, nous parlerons spécifiquement des mouvements terrestres et entrerons beaucoup plus en détail à ce sujet.
La natation et le soaring sont des exemples de locomotion qui peuvent se produire dans une lignée sanguine ou un milieu de culture cellulaire. Les roboticiens ont inventé et construit un grand nombre de robots capables de nager et de voler. Alors que certains d'entre eux utilisent des moteurs miniatures ou des actionneurs MEMS standard (y compris piézoélectriques, thermiques, magnétiques, etc.), d'autres utilisent des cellules musculaires animales comme moteurs.
Qu'ils aient des pattes ou non, il existe un grand nombre d'animaux et d'insectes qui se déplacent sur terre. L'escalade et le saut sont deux des sujets qui seront abordés dans cette partie, ainsi que le mouvement des jambes et des membres. Il est essentiel au processus de mobilité sur terre que les pieds soient ancrés. Afin de se déplacer sans glisser sur des surfaces telles que des parois rocheuses lisses et de la glace, il est essentiel d'avoir la capacité d'augmenter la traction. Cette capacité est particulièrement vitale lors de la montée. Il existe une variété de systèmes biologiques qui sont responsables de l'achat. Les griffes reposent sur des mécanismes basés sur la friction, les pieds de gecko reposent sur les forces de paroi de van der et certains pieds d'insectes reposent sur des forces d'adhérence médiées par fluide.
Selon les exigences de la tâche à accomplir, les robots à pattes peuvent avoir une, deux, quatre, six ou même plus d'une jambe. L'utilisation de jambes plutôt que de roues permet un mouvement plus efficace sur un terrain accidenté, ce qui est l'un des avantages les plus importants de l'utilisation des jambes. Dans le domaine de la robotique bio-inspirée, les variétés de mouvements des jambes considérées comme les plus populaires comprennent la locomotion bipède, quadrupède et hexapède. Cheetah et Rhex, un robot hexapède fiable, sont désormais les deux robots capables de courir le plus vite. Un autre robot hexapède qui a été construit à l'Université de Stanford s'appelle iSprawl. Sa conception a été influencée par la stratégie de mobilité des cafards. La vitesse maximale que ce robot est capable d'atteindre est de 2,3 mètres par seconde, et il peut courir jusqu'à 15 longueurs de corps par seconde. Un seul moteur électrique est utilisé pour la locomotion dans la nouvelle itération de ce robot, contrairement à la forme pneumatique du robot qui a été développé pour la première fois.
La majorité des animaux et des robots biomimétiques rencontrent souvent des difficultés lorsqu'ils sont confrontés à des terrains dont la topographie se caractérise par des échelles de longueur variées. Le terrain est facilement traversé par des espèces sans membres comme les serpents, qui sont capables de se déplacer dessus. Plusieurs types d'animaux et d'insectes, tels que les vers, les escargots, les chenilles et les serpents, sont capables de se déplacer sans utiliser uniquement leurs membres. Hirose et al. donnent un aperçu des robots qui ressemblent à des serpents dans leur présentation. Les robots à chenilles actives, les robots à roues passives et les robots ondulants qui utilisent des ondes verticales ou des expansions linéaires sont les différents types de robots qui peuvent être classés dans cette catégorie. Les roues, qui sont utilisées par la majorité des robots ressemblant à des serpents, ont un niveau de friction élevé lorsqu'ils se déplacent d'un côté à l'autre, mais un faible niveau de friction lorsqu'ils roulent vers l'avant (et peuvent être empêchés de rouler dans la direction opposée). Il est difficile pour les robots ressemblant à des serpents de grimper verticalement car la plupart d'entre eux utilisent l'ondulation rectiligne ou latérale comme mode de locomotion. Plus récemment, Choset a construit un robot modulaire capable d'imiter un certain nombre de démarches de serpent différentes ; Néanmoins, il est incapable d'effectuer un mouvement en accordéon. Scalybot est le nom donné à deux robots qui ressemblent à des serpents et qui ont été récemment construits par des chercheurs de Georgia Tech. Le rôle que jouent les écailles ventrales des serpents dans la modification des caractéristiques de frottement dans différentes directions est l'objectif principal de ces robots en ce qui concerne leur conception. Ces robots sont capables d'exercer un contrôle actif sur leurs balances, ce qui leur permet d'ajuster leurs qualités de friction et de se déplacer efficacement sur de nombreuses surfaces différentes. Des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon ont produit des robots ressemblant à des serpents qui sont à la fois à l'échelle et actionnés de manière conventionnelle.
L'escalade est une activité exceptionnellement difficile car les faux pas du grimpeur peuvent lui faire perdre son emprise et tomber. Cela rend l'escalade particulièrement difficile. Une seule fonctionnalité que l'on peut trouver dans ses homologues biologiques a été à la base de la majorité des robots qui ont été construits. Les forces de Van der Waals, qui sont couramment utilisées par les geckobots, ne sont efficaces que sur les surfaces lisses. Avec l'aide des geckos comme source d'inspiration, des chercheurs de l'Université de Stanford ont réussi à fabriquer la propriété collante que possèdent les geckos. Des millions de microfibres ont été positionnées et fixées à un ressort d'une manière analogue aux soies trouvées dans la patte d'un gecko. Dans des conditions normales, la pointe de la microfibre sera tranchante et pointue ; Cependant, lorsque la microfibre est activée, le mouvement d'un ressort générera une contrainte qui provoquera la flexion des microfibres et augmentera la surface de contact qu'elles ont avec la surface d'un mur ou d'un verre. Des scientifiques travaillant pour la NASA ont mis au point des pinces gecko, qui intègrent la même technologie mais sont utilisées pour une variété de tâches différentes dans l'espace. À l'aide d'adhésifs secs dirigés, les Stickybots sont plus efficaces lorsqu'ils sont appliqués sur des surfaces lisses. Parmi les robots ressemblant à des insectes qui utilisent des épines au lieu d'autres parties, les robots Spinybot et RiSE en sont des exemples. Il y a quelques restrictions qui s'appliquent aux robots grimpeurs à pattes. En raison de leur manque de flexibilité et du fait qu'ils ont besoin d'un espace immense pour se déplacer, ils sont incapables de surmonter des obstacles importants. La plupart du temps, ils sont incapables de grimper sur des surfaces lisses et rugueuses, ni de gérer les transitions verticales à horizontales.
Il existe de nombreux types d'êtres vivants différents, et l'une des tâches qu'ils effectuent fréquemment est de sauter. Parmi les créatures capables de sauter le plus haut, on trouve le lièvre, le kangourou, la sauterelle, le criquet et le bharal. En s'inspirant du criquet, l'EPFL a mis au point un petit robot bondissant de 7 g capable de sauter jusqu'à 138 centimètres. Le processus de relâchement de la tension d'un ressort est ce qui provoque l'événement de saut. « TAUB » (Université de Tel-Aviv et Collège d'ingénierie Braude) est le nom du robot miniature qui a la plus grande capacité de saut. Il s'inspire du criquet et pèse 23 grammes. Son saut le plus haut est de...
