Les pinces robotiques offrent une combinaison sans précédent de force et de délicatesse

Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord ont développé un dispositif de préhension robotique suffisamment doux pour ramasser une goutte d'eau, suffisamment solide pour ramasser un poids de 6,4 kilogrammes (14,1 livres), suffisamment adroit pour plier un tissu et suffisamment précis pour ramasser des microfilms 20 fois plus fins qu'un cheveu humain. En plus des applications possibles en matière de fabrication, les chercheurs ont également intégré au dispositif une technologie permettant de contrôler la pince par les signaux électriques produits par les muscles de l'avant-bras, démontrant ainsi son potentiel d'utilisation avec des prothèses robotisées.

"Il est difficile de développer une seule pince souple capable de manipuler des objets ultra mous, ultra fins et lourds, en raison des compromis entre résistance, précision et douceur", explique Jie Yin, auteur correspondant d'un article sur le travail et associé. professeur de génie mécanique et aérospatial à NC State. "Notre conception atteint un excellent équilibre entre ces caractéristiques."

La conception des nouvelles pinces s'appuie sur une génération antérieure de pinces robotiques flexibles qui s'inspirent de l'art du kirigami, qui consiste à couper et à plier des feuilles de matériau bidimensionnelles pour former des formes tridimensionnelles.

"Nos nouvelles pinces utilisent également le kirigami, mais sont considérablement différentes, car nous avons beaucoup appris de la conception précédente", explique Yaoye Hong, co-auteur de l'article et récent doctorant. diplômé de NC State. "Nous avons pu améliorer la structure fondamentale elle-même, ainsi que la trajectoire des pinces, c'est-à-dire le chemin par lequel les pinces s'approchent d'un objet lorsqu'elles le saisissent."

La nouvelle conception est capable d'atteindre des degrés élevés de résistance et de douceur grâce à la façon dont elle répartit la force dans toute la structure de la pince.

« La résistance des pinces robotiques se mesure généralement en termes de rapport charge utile/poids », explique Yin. « Nos pinces pèsent 0,4 gramme et peuvent soulever jusqu'à 6,4 kilogrammes. Cela représente un rapport charge utile/poids d'environ 16 000. C'est 2,5 fois plus élevé que le précédent record de rapport charge utile/poids, qui était de 6 400. Combinée à ses caractéristiques de douceur et de précision, la solidité des pinces suggère une grande variété d’applications.

Un autre avantage de la nouvelle technologie est que ses caractéristiques attrayantes dépendent principalement de sa conception structurelle plutôt que des matériaux utilisés pour fabriquer les pinces.

"En termes pratiques, cela signifie que vous pouvez fabriquer les pinces à partir de matériaux biodégradables, tels que des feuilles de plantes robustes", explique Hong. « Cela pourrait être particulièrement utile pour les applications dans lesquelles vous ne souhaitez utiliser les pinces que pendant une période de temps limitée, par exemple lors de la manipulation de produits alimentaires ou de matériaux biomédicaux. Par exemple, nous avons démontré que les pinces pouvaient être utilisées pour manipuler des déchets médicaux pointus, tels que des aiguilles.

Les chercheurs ont également intégré le dispositif de préhension à une main prothétique myoélectrique, ce qui signifie que la prothèse est contrôlée par l'activité musculaire.

"Cette pince offre une fonction améliorée pour les tâches difficiles à réaliser avec les dispositifs prothétiques existants, telles que fermer certains types de fermetures éclair, ramasser une pièce de monnaie, etc.", explique Helen Huang, co-auteure de l'article et de Jackson Family Distinguished. Professeur au Département commun de génie biomédical de NC State et de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill.

« La nouvelle pince ne peut pas remplacer toutes les fonctions des mains prothétiques existantes, mais elle pourrait être utilisée pour compléter ces autres fonctions », explique Huang. « Et l’un des avantages des pinces kirigami est qu’il n’est pas nécessaire de remplacer ou d’augmenter les moteurs existants utilisés dans les prothèses robotiques. Vous pouvez simplement utiliser le moteur existant lorsque vous utilisez les pinces.

Lors de tests de validation de principe, les chercheurs ont démontré que les pinces kirigami pouvaient être utilisées conjointement avec la prothèse myoélectrique pour tourner les pages d'un livre et cueillir les raisins d'une vigne.