Un contrôleur inspiré des plantes qui pourrait faciliter le fonctionnement des bras robotiques dans des environnements réels

De nombreux systèmes robotiques existants s’inspirent de la nature, reproduisant artificiellement des processus biologiques, des structures naturelles ou des comportements animaux pour atteindre des objectifs spécifiques. En effet, les animaux et les plantes sont dotés de capacités innées qui les aident à survivre dans leurs environnements respectifs, et qui pourraient ainsi également améliorer les performances des robots en dehors du laboratoire.

"Les bras de robots souples sont une nouvelle génération de manipulateurs robotiques qui s'inspirent des capacités de manipulation avancées présentées par des organismes 'désossés', tels que les tentacules de poulpe, les trompes d'éléphant, les plantes, etc.", Enrico Donato, l'un des chercheurs qui ont réalisé l'étude, a déclaré à Tech Xplore. « La traduction de ces principes en solutions d'ingénierie aboutit à des systèmes constitués de matériaux légers et flexibles qui peuvent subir une déformation élastique douce pour produire un mouvement souple et adroit. En raison de ces caractéristiques souhaitables, ces systèmes s’adaptent aux surfaces et présentent une robustesse physique et un fonctionnement sans danger pour l’homme à un coût potentiellement faible.

Bien que les bras de robot souples puissent être appliqués à un large éventail de problèmes du monde réel, ils pourraient être particulièrement utiles pour automatiser des tâches impliquant d'atteindre des emplacements souhaités qui pourraient être inaccessibles aux robots rigides. De nombreuses équipes de recherche ont récemment tenté de développer des contrôleurs qui permettraient à ces bras flexibles d'accomplir efficacement ces tâches.

"En général, le fonctionnement de tels contrôleurs repose sur des formulations informatiques capables de créer une cartographie valide entre deux espaces opérationnels du robot, à savoir l'espace des tâches et l'espace des actionneurs", a expliqué Donato. « Cependant, le bon fonctionnement de ces contrôleurs repose généralement sur un retour de vision, ce qui limite leur validité dans les environnements de laboratoire, limitant ainsi la possibilité de déploiement de ces systèmes dans des environnements naturels et dynamiques. Cet article est la première tentative visant à surmonter cette limitation non résolue et à étendre la portée de ces systèmes à des environnements non structurés.

"Contrairement à l'idée fausse répandue selon laquelle les plantes ne bougent pas, les plantes se déplacent activement et délibérément d'un point à un autre en utilisant des stratégies de mouvement basées sur la croissance", a déclaré Donato. « Ces stratégies sont si efficaces que les plantes peuvent coloniser presque tous les habitats de la planète, une capacité qui manque au règne animal. Il est intéressant de noter que contrairement aux animaux, les stratégies de mouvement des plantes ne proviennent pas d’un système nerveux central, mais plutôt de formes sophistiquées de mécanismes informatiques décentralisés.

La stratégie de contrôle qui sous-tend le fonctionnement du contrôleur des chercheurs tente de reproduire les mécanismes décentralisés sophistiqués qui sous-tendent les mouvements des plantes. L’équipe a spécifiquement utilisé des outils d’intelligence artificielle basés sur le comportement, composés d’agents informatiques décentralisés combinés dans une structure ascendante.

"La nouveauté de notre contrôleur bio-inspiré réside dans sa simplicité, dans laquelle nous exploitons les fonctionnalités mécaniques fondamentales du bras souple du robot pour générer le comportement global d'atteinte", a déclaré Donato. « Plus précisément, le bras du robot logiciel comprend un agencement redondant de modules logiciels, dont chacun est activé par une triade d'actionneurs disposés radialement. Il est bien connu que pour une telle configuration, le système peut générer six directions principales de pliage.

Les agents informatiques qui sous-tendent le fonctionnement du contrôleur de l'équipe exploitent l'amplitude et le timing de la configuration de l'actionneur pour reproduire deux types différents de mouvements de la plante, appelés circumnutation et phototropisme. Les circumnutations sont des oscillations couramment observées chez les plantes, tandis que le phototropisme est un mouvement directionnel qui rapproche les branches ou les feuilles d'une plante de la lumière.

Le contrôleur créé par Donato et ses collègues peut basculer entre ces deux comportements, réalisant ainsi le contrôle séquentiel des bras robotiques s'étendant sur deux étapes. La première de ces étapes est une phase d'exploration, où les bras explorent leur environnement, tandis que la seconde est une phase d'atteinte, où ils se déplacent pour atteindre un endroit ou un objet souhaité.

"Le point le plus important à retenir de ce travail particulier est peut-être que c'est la première fois que des bras de robot souples redondants peuvent atteindre des capacités en dehors de l'environnement du laboratoire, avec un cadre de contrôle très simple", a déclaré Donato. « De plus, le contrôleur est applicable à n'importe quel logicielrobotle bras fournissait un agencement d'actionnement similaire. Il s’agit d’une étape vers l’utilisation de stratégies de détection intégrées et de contrôle distribué dans les robots continus et logiciels.

Jusqu'à présent, les chercheurs ont testé leur contrôleur dans une série de tests, en utilisant un bras robotique modulaire, léger et souple, entraîné par câble, doté de 9 degrés de liberté (9-DoF). Leurs résultats étaient très prometteurs, car le contrôleur permettait au bras d’explorer son environnement et d’atteindre un emplacement cible plus efficacement que d’autres stratégies de contrôle proposées dans le passé.

À l'avenir, le nouveau contrôleur pourrait être appliqué à d'autres bras robotiques souples et testé en laboratoire et dans des conditions réelles, afin de mieux évaluer sa capacité à faire face aux changements environnementaux dynamiques. Pendant ce temps, Donato et ses collègues prévoient de développer davantage leur stratégie de contrôle, afin qu'elle puisse produire des mouvements et des comportements de bras robotiques supplémentaires.

"Nous cherchons actuellement à améliorer les capacités du contrôleur pour permettre des comportements plus complexes tels que le suivi de cibles, l'enroulement du bras entier, etc., afin de permettre à de tels systèmes de fonctionner dans des environnements naturels pendant de longues périodes", a ajouté Donato.