BirdBot est économe en énergie grâce à la nature comme modèle —

Gracieux, élégants, puissants, les oiseaux incapables de voler comme l’autruche sont une merveille mécanique. Les autruches, dont certaines pèsent plus de 100 kg, traversent la savane jusqu’à 55 km/h. On pense que les performances locomotrices exceptionnelles des autruches sont rendues possibles par la structure des pattes de l’animal. Contrairement aux humains, les oiseaux replient leurs pattes vers l’arrière lorsqu’ils tirent leurs pattes vers leur corps. Pourquoi les animaux font-ils cela ? Pourquoi ce modèle de mouvement du pied est-il économe en énergie pour la marche et la course ? Et la structure de la patte de l’oiseau avec tous ses os, muscles et tendons peut-elle être transférée à des robots marcheurs ?

Alexander Badri-Spröwitz a passé plus de cinq ans sur ces questions. Au Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), il dirige le Dynamic Locomotion Group. Son équipe travaille à l’interface entre la biologie et la robotique dans le domaine de la biomécanique et du neurocontrôle. La locomotion dynamique des animaux et des robots est l’axe principal du groupe.

En collaboration avec son doctorant Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz a construit une jambe de robot qui, comme son modèle naturel, est économe en énergie : BirdBot a besoin de moins de moteurs que les autres machines et pourrait, en théorie, évoluer vers une grande taille. Le 16 mars, Badri-Spröwitz, Aghamaleki Sarvestani, le roboticien Metin Sitti, directeur du MPI-IS, et la professeure de biologie Monica A. Daley de l’Université de Californie à Irvine, ont publié leurs recherches dans la revue Robotique scientifique.

Réseau ressort-tendon conforme composé de muscles et de tendons

En marchant, les humains tirent leurs pieds vers le haut et plient leurs genoux, mais les pieds et les orteils pointent vers l’avant presque inchangés. On sait que les oiseaux sont différents – dans la phase de balancement, ils replient leurs pieds vers l’arrière. Mais quelle est la fonction de ce mouvement ? Badri-Spröwitz et son équipe attribuent ce mouvement à un accouplement mécanique. “Ce n’est pas le système nerveux, ce ne sont pas des impulsions électriques, ce n’est pas une activité musculaire”, explique Badri-Spröwitz. “Nous avons émis l’hypothèse d’une nouvelle fonction du couplage pied-jambe à travers un réseau de muscles et de tendons qui s’étend sur plusieurs articulations.” Ces musculo-tendineux multi-articulaires coordonnent le pliage du pied en phase pendulaire. Dans notre robot, nous avons implémenté la mécanique couplée dans la jambe et le pied, ce qui permet une marche robotique économe en énergie et robuste. Nos résultats démontrant ce mécanisme dans un robot nous amènent à croire que des avantages d’efficacité similaires sont également valables pour les oiseaux », explique-t-il.

Le couplage des articulations des jambes et des pieds et les forces et mouvements impliqués pourraient être la raison pour laquelle un gros animal comme une autruche peut non seulement courir vite mais aussi se tenir debout sans se fatiguer, spéculent les chercheurs. Une personne pesant plus de 100 kg peut aussi bien se tenir debout et longtemps, mais uniquement avec les genoux « verrouillés » en position allongée. Si la personne s’accroupit légèrement, cela devient fatigant après quelques minutes. L’oiseau, cependant, ne semble pas se soucier de la structure de ses pattes pliées; de nombreux oiseaux se tiennent même debout pendant leur sommeil. Une patte d’oiseau robotisée devrait être capable de faire la même chose : aucune puissance motrice ne devrait être nécessaire pour maintenir la structure debout.

Robot marche sur tapis roulant

Pour tester leur hypothèse, les chercheurs ont construit une jambe robotique inspirée de la jambe d’un oiseau incapable de voler. Ils ont construit leur patte d’oiseau artificielle de sorte que son pied ne comporte aucun moteur, mais plutôt une articulation équipée d’un mécanisme à ressort et à câble. Le pied est couplé mécaniquement au reste des articulations de la jambe par des câbles et des poulies. Chaque jambe ne contient que deux moteurs – le moteur des articulations de la hanche, qui fait osciller la jambe d’avant en arrière, et un petit moteur qui fléchit l’articulation du genou pour tirer la jambe vers le haut. Après l’assemblage, les chercheurs ont fait marcher BirdBot sur un tapis roulant pour observer le pliage et le dépliage du pied du robot. “Les articulations du pied et de la jambe n’ont pas besoin d’actionnement dans la phase d’appui”, explique Aghamaleki Sarvestani. “Les ressorts alimentent ces articulations, et le mécanisme multi-articulation ressort-tendon coordonne les mouvements des articulations. Lorsque la jambe est tirée en phase d’oscillation, le pied désengage le ressort de la jambe – ou le ressort muscle-tendon, comme nous pensons que cela se produit chez les animaux. “, ajoute Badri-Spröwitz.

Zéro effort en position debout et lors de la flexion de la jambe et du genou

En position debout, la jambe ne dépense aucune énergie. “Auparavant, nos robots devaient travailler contre le ressort ou avec un moteur, soit en position debout, soit en tirant la jambe vers le haut, pour éviter que la jambe n’entre en collision avec le sol lors du balancement de la jambe. Cet apport d’énergie n’est pas nécessaire dans les jambes de BirdBot”, explique Badri-Spröwitz et Aghamaleki Sarvestani ajoutent : “Dans l’ensemble, le nouveau robot ne nécessite qu’un quart de l’énergie de son prédécesseur.”

Le tapis roulant est maintenant rallumé, le robot commence à courir et à chaque mouvement de jambe, le pied dégage le ressort de la jambe. Pour se désengager, le grand mouvement du pied relâche le câble et les articulations des jambes restantes se balancent librement. Cette transition d’états, entre la position debout et le balancement des jambes, est assurée dans la plupart des robots par un moteur au niveau de l’articulation. Et un capteur envoie un signal à un contrôleur, qui allume et éteint les moteurs du robot. “Auparavant, les moteurs étaient commutés selon que la jambe était en phase d’oscillation ou d’appui. Désormais, le pied prend en charge cette fonction dans la machine à marcher, commutant mécaniquement entre l’appui et l’oscillation. Nous n’avons besoin que d’un moteur au niveau de l’articulation de la hanche et d’un moteur pour plier le genou dans la phase d’oscillation. Nous laissons l’engagement et le désengagement du ressort des jambes à la mécanique inspirée des oiseaux. C’est robuste, rapide et économe en énergie », déclare Badri-Spröwitz.

Monica Daley a observé dans plusieurs de ses études de biologie antérieures que la structure des pattes de l’oiseau économise non seulement de l’énergie pendant la marche et la position debout, mais est également adaptée par la nature pour que l’animal trébuche à peine et se blesse. Dans des expériences avec des pintades courant sur des nids-de-poule cachés, elle a quantifié la remarquable robustesse de la locomotion des oiseaux. Une intelligence morphologique est intégrée au système qui permet à l’animal d’agir rapidement – sans avoir à y penser. Daley avait montré que les animaux contrôlent leurs pattes pendant la locomotion non seulement avec l’aide du système nerveux. Si un obstacle se dresse inopinément sur le chemin, ce n’est pas toujours le sens du toucher ou de la vue de l’animal qui entre en jeu.

“La structure avec ses muscles-tendons multi-articulés et son mouvement unique du pied peut expliquer pourquoi même les gros oiseaux lourds courent si vite, avec robustesse et économe en énergie. Si je suppose que tout chez l’oiseau est basé sur la détection et l’action, et que l’animal marche sur un obstacle inattendu, l’animal pourrait ne pas être en mesure de réagir assez rapidement. La perception et la détection, même la transmission des stimuli, et la réaction coûtent du temps », explique Daley.

Pourtant, les travaux de Daley sur les oiseaux qui courent sur 20 ans démontrent que les oiseaux réagissent plus rapidement que le système nerveux ne le permet, indiquant des contributions mécaniques au contrôle. Maintenant que l’équipe a développé BirdBot, qui est un modèle physique qui démontre directement le fonctionnement de ces mécanismes, tout a plus de sens : la jambe bascule mécaniquement s’il y a une bosse dans le sol. Le basculement s’effectue immédiatement et sans délai. Comme les oiseaux, le robot présente une grande robustesse de locomotion.

Que ce soit à l’échelle d’un Tyrannosaurus Rex ou d’une petite caille, ou d’une petite ou grande jambe robotique. Théoriquement, des pieds d’un mètre de haut peuvent désormais être mis en place pour transporter des robots de plusieurs tonnes, qui se déplacent avec peu d’énergie.

Les connaissances acquises grâce à BirdBot développé au Dynamic Locomotion Group et à l’Université de Californie à Irvine, mènent à de nouvelles connaissances sur les animaux, qui sont adaptées par l’évolution. Les robots permettent de tester et parfois de confirmer les hypothèses de la biologie et de faire progresser les deux domaines.

Vidéo BirdBot : https://youtu.be/wwH40rYJt9g