Imaginez envoyer un robot dans un environnement inconnu sans savoir à quoi il pourrait tomber.
S’il rencontre quelque chose que ses capteurs existants ne peuvent pas détecter, il devra normalement retourner dans un atelier pour un nouvel équipement. Mais et s’il pouvait plutôt développer un nouveau capteur là où il en a besoin ?
Une équipe de chercheurs a démontré une étape vers cette possibilité avec un robot en forme de papillon qui utilise un système circulatoire artificiel pour transporter des ingrédients chimiques à travers son corps et développer un capteur de lumière fonctionnel partout où la lumière ultraviolette (UV) frappe.
« Je travaille à doter les robots d’un système circulatoire, afin qu’ils puissent transporter des éléments de base moléculaires à travers tout le corps et créer le matériel dont ils ont besoin, sur place, où et quand ils en ont besoin », a déclaré Kadri-Ann Pankratov, chercheuse principale et doctorante à l’Université de Tartu en Estonie.
L’expérience suggère que les robots pourraient éventuellement s’adapter non seulement en changeant la façon dont ils utilisent le matériel existant, mais aussi en créant chimiquement des capacités entièrement nouvelles au sein de leur corps.
S’inspirer de la façon dont les insectes font circuler les matériaux
La plupart des robots quittent l’usine avec leur matériel déjà décidé. Les ingénieurs doivent anticiper les capteurs dont ils auront besoin et où les installer.
Bien qu’un logiciel adaptatif puisse aider les robots à réagir à des situations inattendues, il ne peut pas compenser l’absence d’un capteur physique. L’ajout de fonctionnalités entièrement nouvelles après le déploiement reste un défi d’ingénierie important.
Les chercheurs de l’Université de Tartu en Estonie et de l’Institut italien de technologie ont étudié si un robot pourrait surmonter cette limitation en empruntant une idée à la nature : la circulation. Chez les insectes, un système circulatoire ouvert pompe l’hémolymphe, un liquide semblable au sang, à travers le corps, lui permettant d’atteindre différents organes et tissus.
L’équipe s’est inspirée des papillons nocturnes, en particulier du dessous bleu des ailes (Catocala fraxini). Ses ailes relativement plates offraient un modèle pratique car leur circulation se faisait en grande partie dans un seul plan, simplifiant ainsi la plomberie interne du robot.
Les chercheurs ont imprimé en 3D un corps en plastique transparent à l’aide de polyéthylène téréphtalate glycol (PETG). Chacune de ses deux ailes couvrait 86 centimètres carrés et contenait des canaux d’un millimètre de large ressemblant à des veines.
Des espaces plus petits entre les lignes de plastique imprimées formaient un réseau de microcanaux, permettant aux liquides de pénétrer jusqu’à environ 10 micromètres dans le matériau. Une seule pompe faisait circuler environ 3 millilitres (ml) de liquide dans tout le robot, distribuant des ingrédients chimiques dans tout son corps.
La lumière UV transforme une partie du robot en capteur
Pour créer un récepteur de lumière, les chercheurs ont fait circuler une hémolymphe artificielle contenant du pyrrole, un initiateur chimique activé par la lumière et un additif à base de cellulose appelé acétate propionate de cellulose (CAP). Le mélange pénétrait dans les microcanaux internes du plastique et imprégnait le matériau environnant.
Lorsque la lumière UV frappait une zone particulière pendant environ une minute, elle déclenchait une réaction chimique qui transformait le pyrrole en polypyrrole, un polymère électriquement conducteur. Le plastique auparavant transparent est progressivement devenu noir partout où la réaction s’est produite, fournissant une preuve visible du matériau nouvellement formé.
À l’aide d’un pochoir, les chercheurs ont pu contrôler la forme et la position du capteur avec une précision de 0,3 millimètre.
Le matériau résultant a réagi à l’exposition aux UV en modifiant temporairement ses propriétés électriques. Lorsque la lumière UV l’a frappé, son impédance électrique a chuté, permettant à un microcontrôleur intégré de détecter le signal. Le robot pourrait alors réagir en battant des ailes à l’aide d’un fil à mémoire de forme ou en faisant clignoter une LED.
En d’autres termes, le robot a acquis une capacité de détection qu’il ne possédait pas lors de sa fabrication.
« Vous pouvez, bien sûr, utiliser une photodiode prête à l’emploi, mais vous devez savoir très précisément où la placer. Cela peut être difficile à savoir à l’avance, car les robots évoluent dans des environnements plus dangereux et plus complexes. La croissance du récepteur sur place signifie que l’environnement lui-même peut modeler le robot, en fonction de ce qui se passe réellement à ce moment-là », a déclaré Pankratov.
Les chercheurs ont également remarqué quelque chose d’inattendu : le capteur devenait de plus en plus sensible avec une exposition répétée aux UV. Le pyrrole résiduel a continué à polymériser, créant des structures de polypyrrole supplémentaires et modifiant les propriétés électriques du capteur.
L’équipe interprète cela comme une forme de mémoire matérielle, dans laquelle la structure physique du capteur conserve une trace de ses expériences antérieures. Remarquablement, les capteurs sont restés fonctionnels après plus de quatre mois de stockage.
Les robots développeront-ils leur propre matériel ?
La démonstration est toujours une preuve de concept. Il repose sur une seule réaction chimique prédéterminée et la formation du capteur est irréversible.
Les chercheurs ont également contrôlé le moment où le mélange chimique pénétrait dans le robot et ont utilisé un pochoir pour déterminer où le capteur s’est développé. De plus, le robot ne peut pas encore décider indépendamment du nouveau matériel dont il a besoin ni inventer un moyen de le fabriquer.
Néanmoins, cette approche pourrait éventuellement aider les robots opérant dans des environnements inconnus, depuis les forêts et les bâtiments effondrés jusqu’aux sites sous-marins et sur d’autres planètes.
Le même réseau circulatoire pourrait transporter différents produits chimiques pour produire des matériaux de protection contre la corrosion, de blindage électromagnétique ou même d’interfaces avec des tissus vivants. Les chercheurs espèrent également explorer des systèmes chimiques qui pourraient être réversibles.
Le prochain défi consiste à rendre le processus moins dépendant d’instructions prédéterminées.
« À l’heure actuelle, l’intelligence centrale du robot savait quel composant allait arriver. Comment faire en sorte qu’il n’ait pas besoin d’être prédéterminé ? Nous n’avons pas encore de bonne source d’inspiration en biologie pour cela », a déclaré Pankratov.
Pankratov espère que le sang artificiel et les systèmes circulatoires pourraient devenir une option établie en robotique au cours de la prochaine décennie, permettant potentiellement aux machines de développer des capacités en réponse aux environnements qu’elles rencontrent.
L’étude est publiée dans la revue Science avancée.
