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L'avenir de la robotique passe par...les moustaches !

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Une nouvelle génération de capteurs et de robots est en vue : grâce au consortium européen Biotact, les machines pourraient se voir dotées d'une sensibilité au toucher.

Le règne animal inspire les chercheurs en matière d'innovation. Notamment lorsqu'il s'agit de développer des technologies se rapprochant de certains mécanismes biologiques et/ou des sensations propres aux êtres vivants, tel que le toucher, et notamment ces longs poils plantés (vibrisses) sur le museau de nombreux mammifères, comme les rongeurs ou les félins. 

robotbiotactLe consortium impliqué dans le projet étudie donc les mécanismes sensoriels permettant à ces rongeurs de percevoir les formes et les surfaces grâce à leurs moustaches. Ceux-ci effectuent un mouvement de va et vient avec ces appendices qui assurent par là même la fonction de détecteurs. Un principe de "balayage" à l'origine d'une nouvelle génération de capteurs dont la conception constitue un réel défi technologique pour les ingénieurs.

La sensibilité de ces longs poils a en effet de quoi faire saliver les roboticiens, qui imaginent toutes sortes d'applications pour ces robots à moustaches, où des engins, petits ou grands, doivent progresser dans des lieux obscurs ou enfumés : intervention après un incendie, recherche de victimes après un éboulement, voire exploration sous-marine...

Bilan du projet Biotact

En 2008 démarrait pour quatre ans Biotact (Biomimetic Technology for vibrissal Active Touch), un programme international réunissant huit centres de recherches (1 américain, 6 européens et 1 israélien) plus une entreprise française, BVS (Brain Vision Systems), spécialiste de la vision artificielle. Ce programme vient de s'achever, en août 2012, et en est à l'heure du bilan. Quatre ans et 117 publications scientifiques plus tard, il apparaît positif avec des nouveaux venus, comme Shrewbot – la musaraigne-robot –, MechaLobster – le homard mécanique – ou la souris à moustaches e-Puck.

Tout ce travail a été nécessaire pour approcher l'efficacité des animaux à vibrisses, capables de détecter les obstacles et d'en reconnaître la forme, voire leur texture. Pour parvenir à ce résultat, il ne suffit pas d'avoir quelques poils. Il faut savoir s'en servir, en mesurant précisément les mouvements de chaque poil, en vitesse et en orientation, et en observant comment bouge l'ensemble des vibrisses. Les premières études avaient d'ailleurs montré que l'implantation de ces poils sensibles était capitale.

Il s'avère que, exactement comme leurs homologues biologiques, les moustaches artificielles présentent des avantages considérables par rapport à d'autres approches de détection tactile. C'est ce qu'ont démontré le professeur Prescott et une équipe de chercheurs venant de sept pays, dans le cadre du projet Biotact. Avec un financement de 5,4 millions d'euros de la Commission européenne, les chercheurs ont étudié les rats, les souris, les minuscules musaraignes étrusques et d'autres mammifères, et tenté de reproduire la manière dont ils utilisent leurs moustaches pour percevoir leur environnement, détecter des objets et suivre leurs proies.

Leurs travaux ont conduit à un réseau de capteurs tactiles similaires à des vibrisses et à une série de robots semblables à des rats, capables de se déplacer en n'utilisant que le toucher. Ces technologies pourraient être utilisées commercialement dans des domaines aussi divers que la recherche et le sauvetage, les appareils ménagers, les tests de produits ou la médecine.

«Pour commencer, nous devions comprendre comment les mammifères utilisent leurs moustaches. Environ un tiers du projet a été consacré à des études de neurosciences comportementales, en filmant des rats et des musaraignes avec des caméras à grande vitesse afin d'observer comment ils utilisent leurs moustaches, tout en surveillant leurs schémas d'activité neuronale», explique le professeur Prescott, coordinateur du projet Biotact.

L'équipe a ensuite cherché à reproduire dans un système artificiel le fonctionnement des vibrisses naturelles. Leur système fonctionne en mesurant à la base de la vibrisse la vibration qu'entraîne son contact avec un objet ou une surface. Grâce à des moteurs miniatures, chaque poil ou des réseaux de centaines de poils sont déplacés et frottés contre des objets, reproduisant la façon dont les rongeurs agitent à grande vitesse leurs vibrisses d'avant en arrière. Des logiciels et de puissants algorithmes de calcul analysent les informations provenant des vibrisses pour déterminer par exemple si une surface est rugueuse ou lisse, s'il y a un coin ou un mur, à quelle distance se trouve un objet, et même si l'objet se déplace.

Chez les rongeurs, dont la plupart ont une mauvaise vue, l'animal a un contrôle actif qui lui permet de positionner précisément la pointe des vibrisses ainsi que de contrôler leurs déplacements pour obtenir le maximum d'informations sur un objet ou une surface. Ils peuvent ainsi se reposer entièrement sur le seul sens du toucher pour explorer leur environnement, et même pour chasser.

sourisebuckDes robots à moustaches

Appliquée en robotique, cette approche de la détection active améliore grandement l'exactitude et l'efficacité des capteurs, permettant à un robot de tâter délicatement le terrain au lieu de se heurter maladroitement aux objets. Dans les sondes robotiques imitant des doigts, les composants de détection peuvent aisément être endommagés car ils sont directement exposés à l'environnement.

Au contraire, avec la technologie Biotact, les fragiles composants électroniques sont à la base de la vibrisse et n'entrent pas en contact direct avec les objets ou les surfaces. Et les vibrisses artificielles, exactement comme les vibrisses naturelles, continuent de fonctionner si elles sont brisées ou endommagées, et elles peuvent être remplacées rapidement et à peu de frais.

Des neurologues, des biologistes, des informaticiens et des ingénieurs en mécanique ont donc dû collaborer ensemble pour parvenir à imiter ce qu'apprend à faire un jeune rongeur ou un chaton.

Plusieurs générations de capteurs et de robots réalisés par l'équipe Biotact démontrent à quel point cette approche peut être efficace. Shrewbot, la dernière incarnation, ressemble un peu à une musaraigne et peut se déplacer uniquement grâce au toucher.

«Shrewbot peut même suivre un objet en déplacement, simplement en utilisant ses vibrisses. Il n'a aucun capteur visuel ni aucun autre dispositif de détection», précise le professeur Prescott. «En outre, la moustache artificielle de Biotact est modulaire, elle peut donc servir pour un grand nombre de robots et d'appareils différents. Nous l'avons utilisée avec une série de robots éducatifs dont le robot Lego Mindstorms. Nous en avons aussi produit une version miniaturisée utilisant un nouveau type d'actionneur à base de polymères.»

Une large gamme d'applications

L'université de Sheffield travaille actuellement avec le South Yorkshire Fire and Rescue pour utiliser de façon légèrement différente les technologies de capteurs et d'actionneurs de Biotact, en vue de réaliser un casque pour pompier. Il associe des capteurs à ultrasons pour naviguer dans des environnements enfumés, avec des actionneurs qui apportent un retour tactiles à celui qui le porte.

Dans le domaine médical, les capteurs à vibrisses pourraient, après des recherches plus poussées, apporter un retour tactile extrêmement sensible lors des interventions de chirurgie non invasive, détectant par exemple un os ou différents types de tissus.

Dans le domaine de la fabrication, cette technologie de capteur pourrait être utilisée pour tester la qualité des produits ou les trier en analysant la texture des matériaux. Dans un aspirateur, le système pourrait automatiquement détecter différentes surfaces et modifier les réglages afin d'assurer le nettoyage le plus efficace, selon qu'un sol est carrelé ou recouvert d'une moquette.

(Sources : cordis.europa.eu/ et Jean-Luc Goudet pour Futura Sciences 2012)

 

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