Thèmes Scientifiques TS2 : Souplesse et Déformation

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TS2 : Souplesse et Déformation

Le thème scientifique n°2 Souplesse et Déformation englobe la robotique dite «souple», «déformable» ou «molle» qui est un sous domaine de la robotique. Elle consiste à générer, contrôler et planifier des mouvements par la déformation. Elle permet une interaction plus sûre avec le vivant (robotique collaborative, médicale, alimentaire, agricole, etc...) et facilite la manipulation d'objets fragiles, à formes complexes ou de petite taille en améliorant l'adaptabilité de la prise. La robotique souple s'appuie notamment sur une approche de biomimétisme pour réaliser les différentes tâches robotiques de manipulation, de positionnement et de locomotion.

Thèmes émergents et défis

Conception
De nouvelles architectures robotiques ont vu le jour en utilisant des matériaux souples: des préhenseurs souples, les robots extensibles sur le principe «eversion» ou «vine-like», les robots parallèles à jambes continues, les robots continus parallèles, les robots à base d'origamis ainsi que les robots exploitant des métamatériaux. De manière générale, ces architectures posent un certain nombre de défis scientifiques et techniques comme l'intégration de matériaux actifs (capteurs ou actionneurs) dans la structure, le développement d'actionneurs souples potentiellement à raideur variable capables de produire des forces suffisantes pour les applications visées, la conception de structures robotiques optimales et enfin la sélection ou la synthèse de matériaux résistants aux dommages, à l'usure et à la fatigue mécanique... comme peuvent l'être certains polymères auto-réparants. La prise en compte d'une approche éco-conception en tenant compte de l'impact environnemental et sociétal est clairement un défi majeur.

Modélisation dynamique
Les nouvelles architectures robotiques mentionnées précédemment ont déjà mis en évidence l'utilisation d'actionneurs et/ou de capteurs de différente nature: pneumatique, hydraulique, chimique... ainsi que des matériaux ayant des propriétés d'anisotropie ou hétérogènes. D'un point de vue modélisation dynamique, ces architectures et ces matériaux mettent en jeu des modèles non-linéaires, multi-physiques voire multi-échelles. À l'heure actuelle la modélisation dynamique des robots souples reste difficile sans les hypothèses simplificatrices. Obtenir un modèle plus réaliste du robot reste un verrou scientifique fort et passe par la prise en compte des effets non-linéaires, des variabilités et de la complexité de ces robots tout un maintenant un temps de simulation acceptable. Ainsi, des approches de type réduction de modèles ou liées à l'apprentissage supervisé sont des pistes à explorer et imposent également d'envisager des modèles différentiables des robots souples pour les intégrer naturellement dans des architectures d'apprentissage profond ou pour des algorithmes de contrôle.

Commande
En ce qui concerne la commande des robots, au delà des difficultés associées à la conception et à la modélisation, un certain nombre de défis spécifiques existent. D'une part la commande de structures déformables à haute vitesse peut entraîner des vibrations qu'il convient de limiter via des algorithmes de contrôle dédiés qui prennent en compte non seulement la cinématique du robot mais également la dynamique. D'autre part les robots souples ont pour caractéristique majeure d'être en interaction avec leur environnement. Ainsi la thématique de l'intégration sensorielle de capteurs compacts et efficaces pour la rétroaction en temps réel, nécessaire au contrôle précis des mouvements et à l'interaction avec l'environnement est un défi majeur de ce thème scientifique. De même, il convient de concevoir des robots capables de s'adapter dynamiquement à des environnements changeants ou imprévus et d'améliorer l'autonomie des robots souples, tant en termes de prise de décision que de consommation via des lois de commande économes en énergie (notion de 'frugalité' de la commande).