Les chercheurs progressent sur la création d’une peau robotique

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Les chercheurs progressent sur la création d'une peau robotique

Recréer un être humain sous forme de robot n’est pas une mince affaire. Fabriquer un cerveau humain ? Les chercheurs ont déjà commencé à modéliser les synapses et les neurones dans les logiciels et le matériel. Développer un robot capable de bouger comme un humain ? Les chercheurs construisent déjà des muscles, des articulations et des tendons artificiels pour les machines bipèdes.

Mais l’un des plus grands défis à relever pour construire un robot véritablement humain réside sans doute dans notre peau. Tout d’abord, il y a la question de la taille : avec ses 1,5 à 2 mètres de côté, la peau est le plus grand organe du corps humain. Ensuite, il y a tout ce qu’elle fait. En plus de garder notre intérieur à l’intérieur et le monde extérieur à l’extérieur, la peau possède des récepteurs distincts pour détecter différentes sensations : la pression, la texture, les vibrations, le froid et la chaleur, ainsi que la capacité de capter diverses sensations au moindre contact, sur l’ensemble du corps.

Pour quiconque cherche à créer une peau de robot capable de capter le même nombre de sensations que sa déclinaison humaine ou de s’adapter comme une peau biologique et de collecter et traiter des informations provenant de millions de capteurs par seconde, l’un des principaux obstacles à surmonter est la puissance. Les tissus de la peau contiennent des millions de récepteurs qui recueillent des informations. Un robot doté d’une densité similaire de capteurs, échantillonnant ces informations des centaines ou des milliers de fois par seconde, nécessiterait beaucoup d’énergie et de puissance de traitement.

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Une puissance de calcul démentielle

C’est pourquoi, après avoir recouvert un seul bras robotique de peau électronique et traité les données à l’aide de méthodes informatiques traditionnelles, Gordon Cheng, professeur de systèmes cognitifs à l’université technique de Munich, était convaincu que les systèmes utilisés par le corps humain seraient un modèle bien plus utile.

« Lorsque nous avons utilisé la sagesse et la puissance conventionnelles pour donner un sens aux données, cela a fonctionné dans une certaine mesure. Mais lorsque nous avons essayé de passer à l’échelle supérieure, nous avons eu besoin de plus en plus d’ordinateurs », explique Gordon Cheng. L’un des aspects les plus astucieux de l’ensemble du système biologique est qu’il n’envoie pas d’informations au cerveau tant que quelque chose ne change pas et que cela n’est pas nécessaire, explique-t-il.

En effet, la peau est conçue pour transmettre uniquement les informations dont le cerveau a besoin, au moment où il en a besoin. Lorsque vous avez enfilé vos chaussettes ce matin, votre peau a indiqué à votre cerveau qu’elles recouvraient vos pieds. Mais votre peau sait que votre cerveau n’a pas besoin d’être informé en permanence que vous portez encore des chaussettes tout au long de la journée. Les récepteurs cutanés augmentent donc le signal lorsque la chaussette est enfilée, et le diminuent jusqu’à ce qu’elle soit retirée à la fin de la journée.

Créer des « cellules » de peau

Le laboratoire de Cheng a créé des « cellules » de peau dotées de capteurs de mouvement, de pression et d’autres sensations, qui ne transmettent des informations que lorsqu’un changement se produit. Le système basé sur les événements réduit la consommation d’énergie de 90 %, ce qui rend leur utilisation généralisée plus réalisable.

Le laboratoire de l’université de Munich a utilisé les cellules pour recouvrir la majeure partie d’un robot de taille humaine appelé H-1, qui peut utiliser le retour d’information des cellules pour ajuster ses mouvements : les cellules sur ses bras lui permettent de déterminer la bonne pression à utiliser pour faire un câlin, tandis que les cellules sur la plante de ses pieds l’aident à s’adapter à la marche sur différents terrains.

A l’université nationale de Singapour, les chercheurs ont aussi pour ambition de rendre la peau moins contraignante pour les systèmes robotiques en utilisant une informatique d’inspiration biologique : la peau électronique de l’université singapourienne utilise des puces neuromorphiques, qui s’inspirent de la façon dont les informations sont traitées dans le cerveau humain, pour limiter les besoins en énergie du système.

Intel dans la boucle

La peau de l’université nationale de Singapour, qui utilise les puces neuromorphiques Loihi d’Intel, est également pilotée par les événements. Elle est modelée sur les « pics » d’activité qui sont transmis par les fibres nerveuses humaines et ne transmet des informations qu’en cas de changement dans les sensations qu’elle capte. Cela permet non seulement de comprimer la quantité de données, mais aussi de consommer 100 fois moins d’énergie.

Si la peau et le système nerveux de l’homme peuvent servir de modèle pour les équivalents électroniques, le modèle biologique ne va pas plus loin. Notre peau, notre cerveau et nos nerfs ne sont pas mis à jour : nous devons conserver à peu près la même puissance de traitement et les mêmes capacités de détection tout au long de notre vie. Toutefois, grâce aux progrès des logiciels et du matériel, les capacités de la peau des robots finiront par dépasser celles de la peau humaine.

La peau de l’université nationale de Singapour détecte déjà le toucher plus de 1 000 fois plus vite que son équivalent humain, et les capacités de la peau électronique ne pourront que s’améliorer avec le temps. « Nous avons déjà démontré que, grâce à l’utilisation de notre technologie, nous sommes en mesure de donner non seulement le sens du toucher, mais aussi un sens du toucher surhumain », affirme Benjamin CK Tee, directeur adjoint du service de vulgarisation et d’innovation du département de science et d’ingénierie des matériaux de l’université nationale de Singapour.

Une avancée pour notre santé ?

Tout comme la peau humaine, la peau des robots devra ressentir la douleur, afin de servir de système d’alerte précoce qui prévient le robot lorsqu’il risque d’être endommagé. L’université australienne RMIT a créé un prototype de peau robotique capable de ressentir la douleur, recréant de manière réaliste la façon dont la peau détecte en permanence des sensations telles que la chaleur ou le froid, mais la douleur n’est enregistrée que lorsque certains seuils sont franchis : lorsque la chaleur devient suffisamment forte pour endommager la peau, par exemple.

La sensibilité de la peau électronique pourrait être ajustée pour recréer d’autres conditions cutanées, comme les coups de soleil. Et recréer ces affections dans la peau d’un robot pourrait aider les chercheurs travaillant sur les versions biologiques à mieux les comprendre et à les traiter.

Ce n’est pas la seule façon dont une peau électronique entièrement réalisée pourrait aider les humains. Les prothèses actuelles peuvent ressembler aux articulations humaines et même bouger de la même manière, mais elles n’ont pas les mêmes capacités de détection. « Un bras prothétique peut améliorer considérablement la vie des gens, mais il n’est pas encore tout à fait proche d’un membre humain. Il n’a pas la capacité de sentir. Imaginez que cette peau électronique s’étende sur votre prothèse de bras, elle pourrait la rapprocher un peu plus d’un véritable membre humain », explique Madhu Bhaskaran, professeur et codirecteur du groupe de recherche sur les matériaux fonctionnels et les microsystèmes à l’université RMIT.

Résister pour mieux durer

Les signaux sensoriels de la peau sont déjà transmis au cerveau humain par des signaux électriques. En théorie, relier l’électronique d’une prothèse au système nerveux ne devrait pas nécessiter beaucoup de connaissances techniques supplémentaires.

En revanche, cela nécessitera des connaissances supplémentaires en science des matériaux. Toute peau électronique qui se connecte aux tissus humains devra être biocompatible (c’est-à-dire que le corps n’essaiera pas de la rejeter) et capable de résister à l’environnement difficile du corps humain (l’environnement salé et humide des tissus humains n’est généralement pas un endroit accueillant pour l’électronique).

Elle devra également résister à tous les étirements et flexions que subissent les membres humains, sans se fissurer ni se déformer, et durer longtemps. La peau humaine possède également une capacité d’autoguérison assez impressionnante : une petite coupure peut disparaître en quelques jours, et pour les blessures plus importantes, elle peut créer un tout nouveau matériau pour couvrir l’espace, sous la forme d’une cicatrice.

Et après ?

Les chercheurs travaillent déjà sur des matériaux dotés de propriétés d’autoguérison similaires à celles de la peau humaine. Les ingénieurs de l’université Carnegie Mellon, par exemple, ont créé une catégorie de polymères souples et extensibles contenant des alliages liquides qui leur permettent de s’autoguérir en cas de perforation, par exemple. D’autres chercheurs ont suggéré que le graphène pourrait également être utilisé pour créer une peau de robot autocicatrisante.

Dans le même temps, les chercheurs de l’université nationale de Singapour ont mis au point un matériau en mousse, dans lequel sont intégrées des électrodes semblables à des nerfs, qui peut s’autocicatriser s’il est endommagé. Si de nombreux problèmes d’ingénierie et de matériaux – de la longévité à la biocompatibilité et même à l’esthétique – restent à résoudre, les avantages de la peau électronique pour les robots et les humains sont évidents.

« La peau nous donne un sens entier du monde. En plus de cela, elle nous donne le contexte pour interagir avec les autres, par exemple avec une poignée de main, ou un coup de poing », explique Benjamin CK Tee, de l’université singapourienne. « Je pense que les technologies que nous développons permettront aux robots et aux humains de collaborer réellement de manière beaucoup plus efficace et les impacts sociaux peuvent être très positifs. »

Source : ZDNet.com

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