Advance est prometteur pour les “méta-bots” conçus pour délivrer des médicaments ou aider les missions de sauvetage

Une étude décrivant l’avancée, ainsi que la construction et la démonstration d’un assortiment de minuscules robots qui marchent, manœuvrent et sautent, a été publiée dans La science.

Cette percée a permis à l’ensemble des systèmes mécaniques et électroniques nécessaires au fonctionnement d’un robot d’être fabriqués en une seule fois par un nouveau type de processus d’impression 3D pour des matériaux actifs techniques à fonctions multiples (également appelés métamatériaux). Une fois imprimé en 3D, un “méta-bot” sera capable de propulsion, de mouvement, de détection et de prise de décision.

Les métamatériaux imprimés sont constitués d’un réseau interne d’éléments sensoriels, mobiles et structurels et peuvent se déplacer par eux-mêmes en suivant des commandes programmées. Avec le réseau interne de déplacement et de détection déjà en place, le seul composant externe nécessaire est une petite batterie pour alimenter le robot.

“Nous prévoyons que cette méthodologie de conception et d’impression de matériaux robotiques intelligents aidera à réaliser une classe de matériaux autonomes qui pourraient remplacer le processus d’assemblage complexe actuel pour fabriquer un robot”, a déclaré le chercheur principal de l’étude, Xiaoyu (Rayne) Zheng, professeur agrégé de génie civil et environnemental, et de génie mécanique et aérospatial à la UCLA Samueli School of Engineering. “Avec des mouvements complexes, de multiples modes de détection et des capacités de prise de décision programmables, tous étroitement intégrés, il ressemble à un système biologique dans lequel les nerfs, les os et les tendons travaillent en tandem pour exécuter des mouvements contrôlés.”

L’équipe a démontré l’intégration avec une batterie et un contrôleur embarqués pour le fonctionnement entièrement autonome des robots imprimés en 3D – chacun de la taille d’un ongle. Selon Zheng, qui est également membre du California NanoSystems Institute de l’UCLA, la méthodologie pourrait conduire à de nouvelles conceptions de robots biomédicaux, tels que des endoscopes autoguidés ou de minuscules robots nageurs, qui peuvent émettre des ultrasons et se déplacer à proximité des vaisseaux sanguins pour délivrer des doses de médicament à des sites cibles spécifiques à l’intérieur du corps.

Ces “méta-bots” peuvent également explorer des environnements dangereux. Dans un bâtiment effondré, par exemple, un essaim de ces minuscules robots armés de pièces de détection intégrées pourrait accéder rapidement à des espaces confinés, évaluer les niveaux de menace et aider les efforts de sauvetage en trouvant des personnes piégées dans les décombres.

La plupart des robots, quelle que soit leur taille, sont généralement construits en une série d’étapes de fabrication complexes qui intègrent les membres, les composants électroniques et actifs. Le processus entraîne des poids plus lourds, des volumes plus volumineux et une force de sortie réduite par rapport aux robots qui pourraient être construits à l’aide de cette nouvelle méthode.

La clé de la méthode tout-en-un dirigée par l’UCLA est la conception et l’impression de métamatériaux piézoélectriques – une classe de matériaux en treillis complexes qui peuvent changer de forme et se déplacer en réponse à un champ électrique ou créer une charge électrique à la suite de forces physiques.

L’utilisation de matériaux actifs capables de traduire l’électricité en mouvements n’est pas nouvelle. Cependant, ces matériaux ont généralement des limites dans leur amplitude de mouvement et leur distance de déplacement. Ils doivent également être connectés à des systèmes de transmission de type boîte de vitesses afin d’obtenir les mouvements souhaités.

En revanche, les matériaux robotiques développés par l’UCLA – chacun de la taille d’un sou – sont composés d’éléments piézoélectriques et structurels complexes conçus pour se plier, se plier, se tordre, tourner, se dilater ou se contracter à grande vitesse.

L’équipe a également présenté une méthodologie pour concevoir ces matériaux robotiques afin que les utilisateurs puissent créer leurs propres modèles et imprimer les matériaux directement dans un robot.

« Cela permet aux éléments d’actionnement d’être disposés avec précision dans tout le robot pour des mouvements rapides, complexes et prolongés sur différents types de terrain », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Huachen Cui, chercheur postdoctoral à l’UCLA au laboratoire de fabrication additive et de métamatériaux de Zheng. “Grâce à l’effet piézoélectrique bidirectionnel, les matériaux robotiques peuvent également détecter eux-mêmes leurs contorsions, détecter les obstacles via des échos et des émissions d’ultrasons, ainsi que répondre à des stimuli externes via une boucle de contrôle de rétroaction qui détermine la façon dont les robots se déplacent, à quelle vitesse ils se déplacent et vers quelle cible ils se déplacent.”

En utilisant cette technique, l’équipe a construit et démontré trois “méta-bots” avec des capacités différentes. Un robot peut naviguer autour des coins en forme de S et des obstacles placés au hasard, un autre peut s’échapper en réponse à un impact de contact, tandis que le troisième robot peut marcher sur un terrain accidenté et même faire de petits sauts.

Les autres auteurs de l’étude de l’UCLA sont les étudiants diplômés Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu et Haotian Lu; la chercheuse postdoctorale Ariel Calderon; associé en ingénierie de développement Zhen Wang. Les autres auteurs sont Sheyda Davaria, associée de recherche à Virginia Tech; Patrick Mercier, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l’UC San Diego ; et Pablo Tarazaga, professeur de génie mécanique à la Texas A&M University.

La recherche a été soutenue par un Young Faculty Award et un Director’s Fellowship Award de l’US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), avec un financement supplémentaire de l’US Office of Naval Research, de l’Air Force Office of Scientific Research et de la National Science Foundation.

L’avancée intègre des techniques d’impression 3D précédemment développées par Zheng et Hensleigh alors qu’ils étaient tous deux chercheurs à Virginia Tech, qui détient le brevet. Les chercheurs prévoient de déposer un brevet supplémentaire par l’intermédiaire du groupe de développement technologique de l’UCLA pour la nouvelle méthodologie développée à l’UCLA.