Une nouvelle ère pour la robotique

Les robots bioniques de Festo s’inspirent de la nature.

Elle trottine sur le plancher, soulevant et abaissant ses six petites pattes, tandis que ses yeux inspectent les alentours. Deux fines antennes se dressent sur sa tête. Son corps noir est strié de motifs dorés. Deux fils agissent ici comme un système nerveux et permettent au courant de la traverser. Cette fourmi artificielle a l’air intelligente. On s’attendrait presque à la voir sourire.

Il s’agit d’un insecte bionique contrôlé par des algorithmes. Son crâne contient des caméras stéréoscopiques, son abdomen, des capteurs, et son corps, des antennes. Ses pattes sont activées par des transducteurs à flexion piézoélectrique (on y reviendra) et des conducteurs tridimensionnels sont fixés à sa carapace. C’est ce qui lui permet de voir, de marcher, de soulever des objets et de les transporter. Elle peut communiquer avec ses semblables et leur demander de l’aide. La BionicANT est autonome. Elle prend ses décisions par elle-même et, comme une vraie fourmi, collabore avec les autres. Grâce aux technologies de pointe et à sa petite taille (seulement 14 cm de long), ce minirobot peut se déployer dans de minuscules espaces.

L’ingénieur en bionique Sebastian Schrof

L’ingénieur en bionique Sebastian Schrof, en compagnie d’un kangourou artificiel qui se déplace en bondissant et récupère de l’énergie à chacun de ses sauts.

Conçue par l’entreprise allemande Festo, la BionicANT illustre merveilleusement bien l’époque révolutionnaire dans laquelle nous vivons. Jamais auparavant des entreprises réseautées à l’échelle mondiale ne sont parvenues à concrétiser leurs idées aussi rapidement, en combinant autant de domaines de recherche et des innovations qui se complètent aussi efficacement. Elles obtiennent aujourd’hui des résultats époustouflants, qui contribuent à l’évolution exponentielle des technologies. Celles-ci dominent l’industrie de la mobilité depuis longtemps déjà et elles continueront à la façonner.

Les mots-clés de cette nouvelle ère ? Robotique, technologie des capteurs, automatisation. Connectivité, impression 3D, construction légère. Cinématique, adaptabilité, miniaturisation, intégration de multiples fonctions dans un minicomposant. Ajoutez à cela la force des algorithmes. L’intelligence artificielle. Les systèmes autodidactes.

Déboussolé ? Nous sommes plusieurs à l’être. La fourmi artificielle est un projet qui illustre concrètement ces concepts et nous aide à mieux les comprendre. Elle a été conçue à Esslingen, en Allemagne, par Bionic Learning Network, un groupe de recherche mis sur pied par Festo. Cette société de 18 800 employés est l’un des chefs de file mondiaux en technologie d’automatisation et un fournisseur de longue date de Daimler AG. Grâce à cette division dédiée à la bionique, la société bénéficie d’un laboratoire d’idées permettant aux ingénieurs, aux designers, aux biologistes et aux développeurs d’imaginer des « concepts du futur ». Le modèle qui les inspire remonte au début des temps : la nature.

Sebastian Schrof est l’un de ceux qui ont élaboré la BionicANT. Ce designer industriel spécialisé en robotique s’empare de l’insecte artificiel et le replace dans son boîtier en plastique. Il s’agit d’une des 12 fourmis présentées dans des foires commerciales et des salons technologiques à travers le monde, pour démontrer l’expertise de l’équipe. Et elles suscitent généralement l’ébahissement. Non seulement leur anatomie délicate et complexe imite celles de vraies fourmis mais, grâce aux algorithmes, elles reproduisent leurs fonctions cognitives.

Assistant de manipulation bionique est

Cet assistant de manipulation bionique est inspiré de la trompe d’un éléphant et son préhenseur flexible, d’une nageoire de poisson. Il peut saisir des pommes, des tomates et même des œufs.

Une fois sur ses pattes, chaque robot cartographie son environnement et communique l’information à ses congénères. Bien assez vite, il « sait » où il se trouve et connaît la position des autres. S’il désire déplacer quelque chose, il leur envoie un message radio et, rapidement, ils arrivent en renfort. Toutes ces informations sont mémorisées. Ces fourmis sont d’ailleurs plus efficaces en colonie : elles unissent leurs forces pour transporter des objets, sans que personne les contrôle à distance.

Une intelligence faite de nombres

Nadine Kärcher, qui a joint la division bionique de Festo il y a six ans, développe les logiciels de ces créatures artificielles. Elle a notamment élaboré, avec les experts en TI de l’Université d’Ulm, les algorithmes qui font de ces fourmis des entités animées : des équations complexes reposant sur plusieurs étapes minutieusement définies. C’est ainsi qu’elle décrit le fonctionnement des BionicANT : « On leur enseigne ce qu’il faut faire dans une situation donnée. Par exemple, si leurs capteurs détectent un obstacle à droite, elles doivent l’éviter en passant à gauche. Et si leur batterie est à plat, elles doivent se rendre à la borne de recharge. » Les algorithmes sont une suite de nombres infinis qui agissent virtuellement sur les capteurs.

Chaque fourmi dispose d’un processeur situé dans son abdomen. C’est l’équivalent d’un cerveau qui traite et envoie des signaux, contrôle ses pattes et ses pinces. Sa faculté la plus époustouflante ? Il peut simuler une « intelligence distribuée » sur l’ensemble de la colonie. « Les systèmes de chacun des individus se coordonnent. Ils accomplissent collectivement des tâches qu’ils ne pourraient pas réaliser seuls », explique Nadine Kärcher. Les pattes des insectes sont activées par une technologie nommée piézoélectricité. En soumettant certains types de cristaux à un voltage, on obtient une réaction physique : leur structure change, s’étire ou se comprime. Inversement, la tension mécanique qui est alors créée engendre à son tour une charge électrique – un phénomène réciproque extrêmement efficace.

Les fourmis bénéficient également de dispositifs interconnectés moulés, une technologie qui permet de fixer des circuits en trois dimensions sur leurs composants imprimés en 3D. Ces conducteurs intégrés exécutent simultanément des fonctions mécaniques et électriques.

Ces nouvelles technologies ont de quoi stimuler l’imagination. On a même aperçu un kangourou artificiel bondir dans les bureaux de Festo. Les ingénieurs en bionique ont observé quelque chose d’incroyable chez cet animal : tout comme une balle en caoutchouc, il récupère l’énergie obtenue en rebondissant au sol afin de se propulser à nouveau, déplaçant son centre de gravité pour effectuer différents sauts. « Nous avons examiné plus attentivement ce qui se passait : les axes et les impulsions qui lui permettaient de s’élancer et de retomber, explique Elias Knubben, directeur de la division bionique de Festo depuis 2012. Nous avons appris comment utiliser cette énergie avec une grande efficacité. À chaque bond, le kangourou récupère 80 % de son énergie. Il n’a donc qu’à en dépenser 20 % pour obtenir la même force de bondissement. Un principe astucieux ! »

The BionicAnt

Petite, mais futée : la BionicANT allie diverses technologies et se comporte comme une vraie fourmi. Elle profite même d’une intelligence distribuée à l’ensemble de la colonie.

Les ingénieurs en bionique de Festo ont également imité la langue d’un caméléon, un projet qui a donné naissance au préhenseur FlexShapeGripper. À l’image de celui-ci, cet outil se déploie pour saisir des objets au vol, à l’aide d’un embout élastique en silicone. Ils ont aussi reproduit le tentacule d’une pieuvre, une structure souple pilotée par un système pneumatique qui s’enroule autour des objets et parvient à saisir même des surfaces lisses comme le verre, grâce à des ventouses qui créent un effet de succion. La trompe d’un éléphant et la nageoire d’un poisson ont aussi été l’inspiration d’un bras de préhension extrêmement habile. Ces robots peuvent cueillir des tomates et des pommes, et même manipuler des œufs.

« Ces nouveaux projets nous permettent d’apprendre énormément de la nature, affirme Elias Knubben. Et la plupart d’entre eux se rendent jusqu’à l’étape de production. » Il est vrai que la recherche fondamentale est infinie. L’objectif est d’utiliser de nouveaux matériaux, de tester des capteurs dans un autre contexte ou de se demander ce qu’on peut obtenir en combinant les technologies de l’information et la bionique. Le but ultime est d’identifier les possibilités qu’offre cette nouvelle ère, puis de les exploiter.

L’avenir en marche

C’est durant le processus de production que la robotique parvient à rationaliser le plus efficacement la mobilité de demain. Les robots du futur pourraient sortir de leur cage et travailler avec les humains. Ils font preuve de fines aptitudes motrices dans leurs mouvements et, grâce à leurs capteurs, savent à quel moment ils doivent s’immobiliser.

Des prototypes tels que le BionicCobot ne sont pas faits d’acier et se passent de moteurs électriques. C’est l’air comprimé qui active les articulations de ses coudes, avant-bras et poignets. Il peut empoigner un objet avec force ou le soulever délicatement, compresser fermement un matériau et même donner une petite tape sur l’épaule d’un employé, pour lui dire qu’il faut ajouter une vis ou resserrer un écrou.

Chez Daimler AG, on observe ces avancées avec grand intérêt. « On veut des robots intelligents capables de déceler des erreurs, de superviser tout ce qui se fait et d’intervenir si nécessaire. Et ils doivent être aussi faciles d’utilisation qu’un téléphone intelligent », précise Simon Klumpp, responsable des procédés à Daimler AG pour l’assemblage, la robotique et l’automatisation.

Des membres de la division bionique de Festo

Des membres de la division bionique de Festo dans son laboratoire d’idées. Chaque année, elle met au point de nouveaux animaux artificiels en collaboration avec des universités et des experts de diverses entreprises.

Afin d’offrir des produits aussi personnalisés que possible, les différentes étapes de fabrication doivent permettre souplesse et variabilité. « Dans le futur, la collaboration entre humains et robots aura de plus en plus d’importance, ajoute Simon Klumpp. Mais, pour ce faire, les machines devront être dotées de capteurs qui leur permettront d’être plus sensibles, d’avoir une meilleure compréhension et, idéalement, d’apprendre en cours de processus. »

Ces avancées iront dans le même sens que les systèmes intelligents qui nous prêtent assistance. Grâce aux percées en intelligence artificielle, à un réseautage encore plus élaboré et au flux de données échangées en continu, plusieurs innovations feront bientôt partie intégrante de notre quotidien. La technologie des capteurs nous rapproche de la conduite autonome et de la réduction d’accidents qui en résultera. Dans la même visée, elle optimisera considérablement la recherche de places de stationnement, un enjeu particulièrement important dans les grandes villes.

La nature peut être une source d’inspiration à un niveau encore plus vaste. Elias Knubben parle de réseaux neuronaux et d’intelligence distribuée. « Ce serait un bond en avant sur le plan technologique. » Son dernier projet donne un saisissant aperçu de ce qui nous attend. Ce matin, le directeur relâche des papillons dans le hall d’entrée vitré de Festo. Les voir battre agilement des ailes et voleter gaiement est presque poétique. Ce spectacle a quelque chose de miraculeux : c’est une démonstration de la mobilité intelligente de demain, en version poids plume.

Le eMotionButterfly pèse à peine 27 g et maîtrise parfaitement ses battements d’ailes : celles-ci s’abaissent et se soulèvent simultanément. Son corps minimaliste est produit grâce à une imprimante 3D ; une pellicule ultramince, tendue sur un châssis en carbone. Les moteurs et composants électroniques de ce papillon bionique sont si discrets qu’on le détecte à peine à 1 m de distance.

Il nécessite très peu d’énergie pour voler. Dix caméras infrarouges sont disposées dans la pièce et localisent les insectes en enregistrant 160 photos et des milliards de pixels par seconde. Dotés de marqueurs qui permettent de les détecter, ces papillons bioniques n’entrent jamais en collision. Ils exécutent de magistrales manœuvres d’évitement en changeant abruptement de direction sans pour autant quitter la nuée, pour finalement venir se poser doucement sur la main tendue de l’ingénieur.

 

L’avenir de la mobilité

Convois automatisés, voitures bioniques, robotique intelligente : Mercedes-Benz contribue à l’avancement de plusieurs nouvelles technologies afin de créer des véhicules, des concepts d’aménagement urbain et des modèles de partage du futur.

Plusieurs chemins mènent au monde numérique de demain. Les nouvelles technologies évoluent à la vitesse grand V et leur combinaison révèle de toutes nouvelles perspectives. Il y a 20 ans déjà, Mercedes-Benz inaugurait un centre de recherche et développement dans la Silicon Valley. Aujourd’hui, la connectivité, la conduite autonome, les services partagés et la mobilité électrique sont des tendances majeures. Et l’impact de l’intelligence artificielle sur notre quotidien est encore plus grand.

Mercedes-Benz œuvre sur plusieurs fronts, non seulement pour repérer les concepts novateurs, mais pour les engendrer et les développer encore davantage. Nos designers ont conçu une voiture bionique ayant la forme d’un poisson-coffre et des coefficients de traînée sensationnels. Elle compte parmi une multitude de nouveaux projets qui s’inspirent des réseaux neuronaux et interagissent avec leur environnement.

Le véhicule de recherche F 015 mise sur un bon nombre de concepts révolutionnaires. Il parvient à reconnaître et à coopérer avec ce qui l’entoure. De plus, il adopte des approches novatrices en matière de technologie des capteurs, de construction légère et de connectivité. D’autres experts chez Daimler AG planchent sur l’organisation d’un parc automobile interconnecté et d’un système d’autopartage intelligent. À Sindelfingen, par exemple, on teste les robots des usines de demain, alors que Camions Daimler fait l’essai de convois connectés numériquement, aussi appelés « déplacement en peloton ». Les concepteurs s’inspirent notamment des oiseaux volant en formation dans le ciel. L’objectif : un meilleur rendement énergétique.

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