Robot pieuvre, singe de la technologie : fonctionnement et applications des robots mous inspirés des tentacules

La nature fournit des modèles étonnants pour la robotique moderne : la pieuvre, avec son corps unique et ses huit tentacules, inspire depuis des années chercheurs et ingénieurs. Pour de nombreuses tâches que nous voulons voir effectuer par les robots, un corps solide ou une forme humanoïde ne fait pas l’affaire. Il y a de fortes chances que vous n’ayez pas pensé à quelque chose de spongieux et doté de tentacules - mais une telle créature est ce qui pourrait se rapprocher le plus du véritable avenir de la robotique.

Pourquoi la pieuvre ? Morphologie, intelligence incarnée et informatique morphologique

Le corps unique de la pieuvre intéresse les scientifiques depuis des années. « Or le comportement de la pieuvre est d’une grande complexité, alors qu’elle n’est qu’un mollusque, comme l’escargot. Comment un tel être peut-il s’avérer aussi intelligent ? » Pour répondre à cette question, la chercheuse et ses collaborateurs ont émis une hypothèse étonnante. Ils estiment que l’intelligence est régie par le corps lui-même et par sa capacité à interagir avec son environnement. Résultat, l’intelligence du poulpe ne vient pas d’un cerveau central puissant, mais est au contraire inscrite dans ses impressionnants tentacules et dans la forme de son corps.

Ce qui change vraiment la donne, avec ce nouveau type de robots, c’est leur forme d’intelligence différente. Ils sont nés d’une conception entièrement nouvelle - une méthode qui s’appelle l’“informatique morphologique”. Avec l’informatique morphologique, ce qui importe ce n’est plus tant la forme d’un corps, ni même la matière dont il est fait, mais ses relations avec l’environnement. En un sens, la morphologie de l’organisme effectue des calculs pour superviser ce qui se passe et le cerveau délègue ses fonctions à cette intelligence incarnée. “Cela soulage notre cerveau de toutes ces activités basiques”, explique Rolf Pfeifer.

Exemples de robots-pieuvre : Octobot, Octoid, Spirobs et OctopusGripper

Une équipe de chercheurs de l’université d’Harvard aux Etats-Unis a mis au point le premier robot-pieuvre entièrement mou et autonome, appelé Octobot. L’Octobot, premier robot-poulpe tout mou, a une autonomie de 8mn. Tous les composants (batteries, circuits électriques…) sont souples grâce à l’utilisation combinée de trois techniques : l’impression 3D, le moulage et la lithographie.

Les chercheurs expliquent dans le magazine Nature le mécanisme pneumatique du robot, mu par réaction chimique… Le contact entre un composé chimique, le peroxyde d’hydrogène, et la platine, un catalyseur, libère du gaz. Lequel gaz circule dans les chambres pneumatiques à l’intérieur du robot et fait gonfler ses huit tentacules. Le robot, qui a une autonomie de 8mn, est avant tout une « preuve de concept » pour Ryan Truby, l’un des étudiants de Jennifer A. Lewis, co-responsable du projet avec le professeur en ingénierie Robert J. Wood.

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Une équipe de recherche sud-coréenne a mis au point un robot souple baptisé Octoid, capable d'imiter les mouvements et le comportement d'une pieuvre dans son habitat naturel. Le matériau de base utilisé pour Octoid est appelé polymère à cristaux photoniques. Il s'agit d'un matériau nanostructuré qui peut faire des choses intéressantes lorsque la lumière le traverse. Les chercheurs ont utilisé les polymères pour donner au robot une structure spéciale qui lui permet de se déplacer de manière souple et flexible tout en changeant de couleur. L'équipe à l'origine d'Octoid affirme que ce robot ouvre de nouvelles perspectives pour la technologie biomimétique de la robotique souple.

Quoique dotés d’une faible intelligence, ces bras peuvent attraper des objets que les robots les plus avancés auraient du mal à saisir. Les chercheurs estiment que ce poulpe - et tout un ensemble de robots mous du même genre - représente une ère nouvelle pour la robotique.

Qu’ont en commun la trompe de l’éléphant, la queue du caméléon ou de l’hippocampe et le tentacule de la pieuvre ? Un enroulement suivant la forme d’une spirale logarithmique. Cette géométrie particulière a inspiré une équipe de l’université des sciences et technologies de Chine à Hefei, qui propose une nouvelle classe de bras robotisés qu’elle a baptisée Spirobs. Les Spirobs sont conçus pour combiner une force de préhension élevée et une capacité de repliement autour des objets à des fins de préhension, comme le fait la pieuvre.

La commande est assurée par de simples câbles dont l’allongement est coordonné. La taille des objets saisis peut varier d’un facteur de plus de 1 à 100, et le bras peut supporter jusqu’à 260 fois son poids. Une version de taille millimétrique permet de saisir une fourmi, tandis qu’un bras fixé sur un drone est capable de manipuler une lourde charge.

Une entreprise allemande s’est inspirée des tentacules de la pieuvre pour concevoir un robot capable de manipuler des objets de n’importe quelle forme. Baptisé OctopusGripper, ce robot a en effet tout l’air d’un tentacule. La pince d’OctopusGripper, composée de silicone souple, est contrôlée de manière pneumatique. Tout comme son modèle vivant, le tentacule du robot est composé de deux rangées de ventouses. À l’exception de celles situé au bout du bras, les ventouses sont équipées d’un système d’aspiration, qui permet à l’objet attrapé d’adhérer encore plus solidement à la pince du robot.

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Intelligence d’aspiration et contrôle local : vers une robotique sans électronique lourde

L’étude, publiée dans Science Robotics, montre comment un robot souple peut utiliser le flux d’aspiration non seulement pour adhérer aux objets, mais aussi pour détecter son environnement et contrôler ses propres actions, à la manière d’une pieuvre. « L’intelligence d’aspiration fonctionne à deux niveaux : en couplant le flux d’aspiration aux circuits fluidiques locaux, les robots souples peuvent atteindre une intelligence intrinsèque de bas niveau, comparable à celle d’une pieuvre, permettant notamment de saisir délicatement des objets délicats, de les recourber et d’encapsuler des objets de géométrie inconnue. »

« C’est fascinant de voir comment une simple ventouse, sans électronique, peut ressentir, penser et agir, comme un bras de pieuvre », conclut Tianqi Yue. Cette intelligence d’aspiration simple et peu coûteuse pourrait donner naissance à une nouvelle génération de robots souples, plus sûrs, plus intelligents et plus économes en énergie. L’équipe travaille actuellement à rendre le système plus compact et plus robuste pour une utilisation en conditions réelles.

Applications médicales : bras-pieuvre et chirurgie douce

Un robot médical inspiré de la pieuvre, qui se plie, s'étire et se faufile. Manipuler des organes sans les endommager. Dans le détail, le « bras-pieuvre » est composé de deux modules identiques connectés entre eux. L'appareil, qui pourrait repousser les limites de la chirurgie, permettrait aux médecins d'accéder à des parties exiguës de l'abdomen ou d'autres parties du corps.

En réduirait le nombre d'instruments nécessaires pour une intervention et donc le nombre d'incisions, le dispositif permettrait de faciliter le travail des chirurgiens. « Une seule opération chirurgicale nécessite souvent l'utilisation de plusieurs instruments tels que des pinces, des enrouleurs, des systèmes de vision et des dissecteurs », souligne Tommaso Ranzani. Les chercheurs estiment que ce type de dispositif pourrait réduire considérablement les risques de lésions liés aux instruments actuels, bien que ceux-ci soient déjà très souples.

Une équipe du King’s College de Londres étudie la possibilité de concevoir un bras mou qui pénétrerait dans le corps humain par l'intestin, l’œsophage ou par une incision. Un tel bras passerait confortablement le long des tissus et des organes puis, une fois sur la zone de l’intervention, il se durcirait pour avoir la rigidité nécessaire à l'opération chirurgicale souhaitée.

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Conception, matériaux et actionnement : techniques et défis

L’équipe a d’abord dû trouver des matériaux qui présentaient les mêmes propriétés qu’un ­tentacule de pieuvre, puis modéliser la manière dont les muscles la commandent. Le modèle mathématique était particulièrement complexe. Les roboticiens n’ont pas l’habitude de traiter les degrés de liberté infinis qu’offre un tel membre. Pour fabriquer un tentacule, il s’agit d’un long et mince cône de silicone, très souple, muni d’un grillage. On l’actionne en tirant sur des câbles - certains d’entre eux raccourcissent le bras, d’autres le plient ou le font pivoter sur lui-même. En combinant les tractions et les relâchements des câbles, on parvient à reproduire tous les mouvements d’un véritable poulpe, et des câbles d’enroulement permettent au bras de pivoter sur lui-même.

D’autres méthodes d’actionnement existent : commande pneumatique (Octobot, OctopusGripper), circuits fluidiques locaux et flux d’aspiration (intelligence d’aspiration), matériaux photo-réactifs (polymères à cristaux photoniques) ou structure en spirale coordonnée (Spirobs). Chaque solution présente des avantages et des contraintes en termes de puissance, précision, autonomie, robustesse et miniaturisation.

Possibilités futures et limites

Les robots de la prochaine génération seront plus intelligents que jamais, mais il y a de fortes chances pour que leurs corps ne ressemblent pas du tout au nôtre. En définitive, pour nos descendants, la notion même de robot humanoïde pourrait paraître vaniteuse, voire tout à fait erronée. Imaginez à quoi ressemblera un robot d’ici à cinquante ans. Il tond la pelouse ou vous aide à faire le ménage. Mais quelle forme a-t-il ? De quoi est-il fait ? A-t-il des bras, des jambes et une tête ?

L'équipe prévoit de fabriquer un robot-poulpe à huit pattes d’ici à deux ans. Mais les chercheurs ont d’ores et déjà acquis des connaissances d’une valeur inestimable, qui leur ont valu une invitation à travailler sur une nouvelle génération de robots-chirurgiens mous. Les chercheurs estiment que ce poulpe - et tout un ensemble de robots mous du même genre - représente une ère nouvelle pour la robotique.

Tableau : comparatif simplifié des approches pieuvre en robotique

Malgré ces avancées, des défis persistent : miniaturisation des systèmes d'actionnement, autonomie énergétique, robustesse en environnement réel, modèles de commande et perception adaptés aux degrés de liberté quasi-infini, et intégration sûre dans les contextes médicaux et industriels.

Perspectives

Grâce à ces recherches, nous avons mis au point des matériaux pour des robots souples qui peuvent être utilisés dans divers domaines, notamment les robots adaptatifs autonomes, les systèmes de camouflage militaire, les robots d'exploration marine et les micro-robots médicaux. L’idée d’un robot spongieux à tentacules n’est plus de la science-fiction : elle ouvre la voie à une robotique plus douce, plus sûre et mieux adaptée à la complexité du monde réel.

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