Un fossil en mouvement grâce aux moteurs maxon

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Faire marcher un robot à pattes n'est pas aussi simple qu'il n'y paraît. Coordonner le mouvement de toutes ses articulations pour obtenir des mouvements fluides, proches de ceux des animaux réels, nécessite une ingénierie avancée et une observation attentive des animaux en mouvement. Mais que faire si nous ne savons pas exactement à quoi ressemble l'animal ou comment il se déplace, puisqu'il est éteint depuis 300 millions d'années ?

C'est l'histoire d'Orobates pabsti, un tétrapode primitif qui a vécu des millions d'années avant que les dinosaures n'existent. Ses os fossilisés ont été récupérés en 2004 dans ce qui est aujourd'hui l'Allemagne. L'excellent état de conservation de ses os fossilisés, presque complets et articulés, a été complété par des empreintes de pas fossilisées, également trouvées dans la région. Cela a permis à des ingénieurs comme moi du laboratoire de biobotique de l'EPFL (travaillant avec Tomislav Horvat et Auke Ijspeert) et à une grande équipe de biologistes (dirigée par John Nyakatura de l'Université Humboldt de Berlin) de reconstruire sa locomotion à l'aide d'un robot.

Mais pourquoi la locomotion des Orobates est-elle importante ? Orobates est un candidat idéal pour comprendre comment les vertébrés terrestres (y compris les humains comme nous) ont évolué. Ces animaux représentent la transition d'un mode de vie amphibie à des vertébrés terrestres capables de pondre des œufs sur la terre ferme. Cela les place dans l'arbre de l'évolution entre les amphibiens et les animaux plus évolués, y compris les reptiles, les oiseaux et les mammifères. Il semble crucial d'étudier si les Orobates pouvaient ou non marcher sur la terre ferme. Par exemple, pour faire la lumière sur les débats liés au moment où la terre sèche a finalement été colonisée par les animaux. Les expériences de locomotion avec des animaux vivants sont difficiles, mais avec un animal éteint, c'est en fait impossible. Il fallait trouver un moyen de reconstruire objectivement la locomotion des Orobates. Nous avons pensé que la simulation informatique était un bon outil pour y parvenir, mais la locomotion à pattes est difficile à simuler. Les impacts intermittents des jambes avec le sol, la friction de contact et la dynamique globale du corps en mouvement des Orobates nécessitaient une vérification en situation réelle pour être valides. C'est pourquoi nous avons reconstruit le fossile des Orobates avec un robot physique. Ce robot était une version à l'échelle du fossile, doublant presque sa taille. La distribution de la masse et d'autres paramètres pertinents sur le plan dynamique, comme la vitesse à laquelle le robot devrait se déplacer, ont été étudiés en profondeur pour avoir une signification à la fois biologique et technique.

«Pour obtenir une locomotion en douceur, l'ordinateur de bord du robot envoie des commandes aux moteurs à une vitesse d'environ 100 fois par seconde»

En faisant construire ce robot, nous avons pu tester un certain nombre d'allures possibles que les Orobates ont probablement exécutées lorsqu'ils étaient vivants. Nous avons observé d'autres animaux modernes dont la morphologie est similaire à celle des Orobates, comme une salamandre, un caïman, un iguane et un scinque. Nous avons remarqué que leurs allures diffèrent par la hauteur de leur corps, l'amplitude des mouvements de leur colonne vertébrale et la rotation de leurs pattes lorsqu'ils les balancent. Ces caractéristiques créent un espace où les données des animaux vivants et les allures possibles du robot pourraient être comparées. Nous avons testé un certain nombre d'allures dans cet espace pour essayer de trouver l'allure la plus stable, la plus efficace énergétiquement, qui utilisait des schémas de force similaires à ceux des animaux vivants et dont la précision correspondant aux empreintes était élevée. Nous avons découvert que les allures les plus probables utilisées par les Orobates pour se déplacer étaient assez similaires à celles du caïman. Cela suggère que leur locomotion était plutôt avancée, par rapport à ce que l'on pensait de ces premiers tétrapodes.

Motorisation puissante et essai sur le terrain en Afrique

Le test avec le robot a également été une grande expérience. Il avait l'air vivant. Pour contrôler cette machine, il a fallu résoudre des problèmes de cinématique et de dynamique inverses, coordonner le mouvement des jambes et de la colonne vertébrale. Pour obtenir une locomotion en douceur, l'ordinateur de bord du robot envoie des commandes aux moteurs à une vitesse d'environ 100 fois par seconde. Les actionneurs utilisés sont entraînés par un moteur DC maxon puissant et efficace. Nous avons utilisé 28 actuateurs, cinq par jambe et huit dans la colonne vertébrale. Peu de fois un robot aussi complexe et proche d'un animal réel a été commandé pour exécuter tous ces divers mouvements.

Nous avons mis à profit notre expérience dans la conception et le contrôle de robots à posture tentaculaire pour réaliser le robot des Orobates. Après avoir fait de la science avec le robot salamandre Pleurobot (voir le magazine Driven en 2018), nous nous sommes également inspirés des allures et des morphologies des crocodiles du Nil et des lézards de surveillance pour construire et tester deux de ces robots sur le terrain. Nous avons travaillé avec la BBC, en filmant des documentaires sur la vie sauvage en Afrique. La série télévisée Spy in the Wild présente nos robots entourés d'animaux sauvages sur les rives du Nil. Ces robots ont survécu à deux semaines de tournage intense dans des conditions environnementales extrêmes, et nous ont donné de nouvelles idées sur la conception robuste pour des scénarios complexes du monde réel. C'est le cas des robots K-Rock destinés aux scénarios de catastrophes. Grâce à leur posture, ils ont la capacité de marcher dans des passages étroits et étant amphibies, ils peuvent nager et marcher dans des zones inondées remplies de débris et d'obstacles.

Le développement de ces robots, d'abord avec le Laboratoire de Biorobotique de l'EPFL et maintenant dans ma société privée KM-RoBoTa (faisant partie du programme YEP de maxon, et une des start-ups du maxon Innovation Lab à Lausanne), pose la barre pour la conception robuste de robots ressemblant à des animaux, inspirés d'animaux réels et dont les capacités de mobilité ont un grand potentiel pour être utilisés soit pour la science soit pour des applications d'ingénierie.

Actionneurs du futur

De telles avancées en robotique nous font réfléchir sur les mécanismes d'actionnement que nous utilisons actuellement. Avec la technologie actuelle, nous pouvons être rapides mais nous ne pouvons pas déplacer des inerties élevées rapidement et efficacement (permettant des impacts, des mouvements explosifs, etc.). De plus, pour augmenter le couple, nous utilisons des boîtes de vitesses, qui affectent la transparence du contrôle du mouvement par inertie et friction réduisant la bande passante de l'actionneur. Les nouvelles possibilités de création de meilleurs actionneurs à différentes échelles, de la robotique douce aux actionneurs proprioceptifs de forte puissance, s'accompagnent souvent de systèmes périphériques encombrants, réduisant la densité de puissance et de couple, ou d'une forte demande en puissance qui dépasse les besoins de dissipation.

Pas à pas, comme le robot d'Orobates a marché dans ses traces, nous concevons une meilleure technologie d'actionnement. Mais nous sommes encore loin de fournir à nos robots les capacités réelles et animales souhaitées. Du moins, comparé à ce que les muscles des animaux peuvent faire. Il y a un long, mais passionnant chemin de recherche et de développement pour l'actionnement et la conception de la robotique dans la décennie à venir qui mérite d'être parcouru.

Par Kamilo Melo

 

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Découvrez notre Brochure Robotics 2019.

Téléchargeable  ici.

Bibliography

John A. Nyakatura*, Kamilo Melo*, Tomislav Horvat*, Kostas Karakasiliotis, Vivian R. Allen, Amir Andikfar, Emanuel Andrada, Patrick Arnold, Jonas Lauströer, John R. Hutchinson, Martin S. Fischer und Auke J. Ijspeert. Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote. Nature 565, 351–355; 2019. *Gleichberechtigte Autorenbeiträge.

DOI: 10.1038/s41586-018-0851-2

 

Author Kamilo Melo grew up in Duitama and Bogotá, Colombia and now lives in Renens, Vaud. He studied electrical and mechanical engineering obtaining a PhD in robotics. After working as postdoc at EPFL Lausanne, he now works and research for his own robotics company KM-RoBoTa.