Origami

Aug 12, 2023

Les chercheurs de l'USC ont développé une solution innovante pour mesurer le mouvement des composants mous en robotique.

Des capteurs de contrainte inspirés de l'origami pourraient changer la façon dont nous interagissons avec les robots mous

Hollywood est une source d'inspiration incontournable pour les roboticiens. Les mouvements étonnamment réalistes des personnages animés dans des films tels que « Avatar » et « Le Seigneur des Anneaux » sont produits à l'aide de la technique de capture de mouvement – ​​dans laquelle des marqueurs réfléchissants sont attachés à un acteur, capturés par des caméras et traduits en données de mouvement qui peuvent être lu par un logiciel d'animation.

Dans le domaine de la robotique douce, une méthode comparable a été utilisée pour suivre la déformation – ou les changements de forme – de composants mous tels que les muscles d’un bras robotique. Les caméras peuvent collecter des données qui permettent aux chercheurs de mesurer l'extensibilité et la récupération, informations cruciales pour prédire et donc contrôler le mouvement du robot.

Voici le problème : ce processus fonctionne rarement en dehors du laboratoire. Si un robot navigue sur l'océan, opère dans l'espace ou est enfermé dans le corps humain, une configuration de plusieurs caméras n'est pas toujours pratique.

C'est pourquoi Hangbo Zhao, qui occupe le double poste de professeur adjoint au Département de génie aérospatial et mécanique et au Département de génie biomédical Alfred E. Mann, a décidé de tester une approche alternative.

Image à l'échelle du capteur de contrainte avec une conception d'électrode inspirée de l'origami

Incités par des conversations avec ses collègues en robotique douce, Zhao et son groupe de recherche ont développé une conception pour un nouveau capteur utilisant des électrodes 3D inspirées des modèles de pliage utilisés dans l'origami, capable de mesurer une plage de contrainte jusqu'à trois fois supérieure à celle d'un capteur classique. .

Les capteurs peuvent être fixés sur des corps mous en mouvement – ​​depuis les tendons mécaniques d’une jambe prothétique jusqu’à la matière palpitante des organes internes humains – dans le but de suivre le changement de forme et le bon fonctionnement, aucune caméra n’est requise.

L’article qui en résulte, « Capteurs de contrainte à haute extensibilité et à faible hystérésis utilisant des mésostructures 3D inspirées de l’origami », est publié dans la revue leader Science Advances.

"Pour développer le nouveau capteur, nous avons exploité nos travaux antérieurs dans la conception et la fabrication de structures 3D à petite échelle qui appliquent les principes de l'origami", a expliqué Zhao. "Cela permet aux capteurs d'être utilisés à plusieurs reprises et de donner des lectures précises même lors de la mesure de déformations importantes et dynamiques de corps mous."

Professeur Hangbo Zhao et premier auteur de l'article, Xinghao Huang, doctorant en génie mécanique

Les capteurs de déformation extensibles existants utilisent généralement des matériaux souples comme le caoutchouc, mais ce type de matériau peut subir des changements irréversibles dans les propriétés du matériau en raison d'une utilisation répétée, produisant des mesures peu fiables en matière de détection de déformation.

Mais que se passerait-il si le matériau du capteur n’était pas intrinsèquement doux ou extensible ? Au lieu de cela, la structure 3D des électrodes convertirait l’étirement et la libération en un processus de dépliage et de pliage.

La solution ingénieuse de Zhao pour le capteur à base d'électrodes peut être démontrée avec un morceau de papier plat. Tirez de chaque côté – est-ce que ça grossit ? Non? Donc pas extensible.

Maintenant, pliez le papier en deux. Ouvrez-le à nouveau. La forme du papier plié change, mais le matériau lui-même ne s'est pas transformé en substance. En d’autres termes, mieux qu’extensible.

Au fur et à mesure que les électrodes se déplient, l’intensité du champ électrique est captée. Un modèle développé par l'équipe convertit ensuite cette lecture en mesure de la déformation. Cette approche est idéale pour répondre aux déformations importantes que les capteurs existants ne sont pas capables d'identifier avec précision ; grâce à l'art du pliage, on peut réaliser des sauts de dimensions réversibles sans provoquer de modification de la matière.

"Nous intégrons les électrodes inspirées de l'origami 3D avec un substrat souple et extensible grâce à une liaison covalente", a expliqué Zhao. « Cette combinaison unique nous permet de mesurer une très grande déformation, jusqu'à 200 % de déformation, avec une hystérésis ultra-faible d'environ 1,2 %. Il y a également une réponse très rapide, en 22 millisecondes.