Les robots assembleurs réalisent de grandes structures à partir de petites pièces.

Les avions commerciaux d’aujourd’hui sont généralement fabriqués par sections, souvent à des endroits différents – des ailes dans une usine, des sections de fuselage dans une autre, des composants de queue ailleurs – et ensuite transportés par avion jusqu’à une usine centrale dans d’énormes avions cargo pour l’assemblage final.

Mais que se passerait-il si l’assemblage final était le seul assemblage, avec l’avion entier construit à partir d’un grand nombre de petites pièces identiques, toutes assemblées par une armée de petits robots ?

C’est la vision que l’étudiant diplômé Benjamin Jenett, qui travaille avec le professeur Neil Gershenfeld au Centre pour les fragments et atomes (CBA) du MIT, poursuit dans sa thèse de doctorat. Aujourd’hui, les prototypes de tels robots peuvent assembler de petites structures et même travailler en équipe pour construire des assemblages plus grands.

Le nouvel ouvrage paraît dans le numéro d’octobre du IEEE Robotique et lettres d’automatisationdans un article de Jenett, Gershenfeld, Amira Abdel-Rahman, étudiante diplômée, et Kenneth Cheung SM’07, PhD’12, ancien de l’ABC, qui est maintenant au Ames Research Center de la NASA, où il dirige le projet ARMADAS pour concevoir une base lunaire qui pourrait être construite avec un assemblage robotisé.

« Cet article est un régal « , déclare Aaron Becker, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l’Université de Houston, qui n’était pas associé à ce travail. « Il combine une conception mécanique de premier ordre avec des démonstrations époustouflantes, un nouveau matériel robotique et une suite de simulation de plus de 100 000 éléments « , dit-il.

« Ce qui est au cœur de tout cela, c’est un nouveau type de robotique, que nous appelons robots relatifs « , dit Gershenfeld. Historiquement, explique-t-il, il y a eu deux grandes catégories de robotique – celles fabriquées à partir de composants personnalisés coûteux et soigneusement optimisés pour des applications particulières telles que l’assemblage en usine, et celles fabriquées à partir de modules produits en série peu coûteux et aux performances bien inférieures. Les nouveaux robots, cependant, sont une alternative aux deux. Ils sont beaucoup plus simples que les premiers, tout en étant beaucoup plus performants que les seconds, et ils ont le potentiel de révolutionner la production de systèmes à grande échelle, des avions aux ponts en passant par les bâtiments entiers.

Expériences démontrant l’assemblage robotique relatif de structures cellulaires discrètes 1D, 2D et 3D.

Selon Gershenfeld, la principale différence réside dans la relation entre le dispositif robotique et les matériaux qu’il manipule et manipule. Avec ces nouveaux types de robots,  » on ne peut pas séparer le robot de la structure – ils fonctionnent ensemble comme un système « , dit-il. Par exemple, alors que la plupart des robots mobiles ont besoin de systèmes de navigation très précis pour suivre leur position, les nouveaux robots assembleurs n’ont besoin que de suivre leur position par rapport aux petites sous-unités, appelées voxels, sur lesquelles ils travaillent actuellement. Chaque fois que le robot fait un pas sur le voxel suivant, il réajuste sa position, toujours par rapport aux composants spécifiques sur lesquels il se trouve en ce moment.

La vision sous-jacente est que, tout comme les images les plus complexes peuvent être reproduites à l’aide d’un réseau de pixels sur un écran, pratiquement n’importe quel objet physique peut être recréé sous la forme d’un réseau de petites pièces tridimensionnelles, ou voxels, qui peuvent elles-mêmes être constituées de simples structures et nœuds. L’équipe a démontré que ces composants simples peuvent être agencés de manière à répartir efficacement les charges ; ils sont constitués en grande partie d’espaces ouverts, de sorte que le poids total de la structure est réduit au minimum. Les unités peuvent être prises en main et mises en place l’une à côté de l’autre par de simples assembleurs, puis fixées ensemble à l’aide de systèmes de verrouillage intégrés dans chaque voxel.

Les robots eux-mêmes ressemblent à une petite arme, avec deux longs segments articulés au milieu et des dispositifs de serrage sur les structures en voxel à chaque extrémité. Les dispositifs simples se déplacent comme des vers, avançant le long d’une rangée de voxels en ouvrant et en fermant leur corps en forme de V de façon répétée pour se déplacer d’un à l’autre. Jenett a surnommé les petits robots BILL-E (un clin d’œil au robot de cinéma WALL-E), qui signifie Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer.

Jenett a construit plusieurs versions des assembleurs comme preuve de concept, ainsi que des conceptions de voxel correspondantes avec des mécanismes de verrouillage pour fixer ou détacher facilement chacun d’eux de ses voisins. Il a utilisé ces prototypes pour démontrer l’assemblage des blocs en structures linéaires, bidimensionnelles et tridimensionnelles. « Nous ne mettons pas la précision dans le robot ; la précision vient de la structure « , dit Jenett. « C’est différent de tous les autres robots. Il a juste besoin de savoir où est sa prochaine étape. »

Pendant qu’il travaille à l’assemblage des pièces, chacun des minuscules robots peut compter ses pas sur la structure, dit Gershenfeld, qui est le directeur de l’ABC. En plus de la navigation, cela permet aux robots de corriger les erreurs à chaque étape, éliminant ainsi la majeure partie de la complexité des systèmes robotiques typiques, dit-il. « Il lui manque la plupart des systèmes de contrôle habituels, mais tant qu’il ne manque pas une étape, il sait où il est. » Pour des applications pratiques d’assemblage, les essaims de ces unités pourraient travailler ensemble pour accélérer le processus, grâce à un logiciel de contrôle développé par Abdel-Rahman qui permet aux robots de coordonner leur travail et d’éviter de s’entraver mutuellement.

Ce type d’assemblage de grandes structures à partir de sous-unités identiques à l’aide d’un simple système robotique, un peu comme un enfant assemblant un grand château à partir de blocs LEGO, a déjà suscité l’intérêt de certains utilisateurs potentiels importants, dont la NASA, collaborateur du MIT pour cette recherche, et la société aéronautique européenne Airbus SE, qui a également contribué au financement de cette étude.

La simulation sur ordinateur montre un groupe de quatre robots assembleurs travaillant à la construction d’une structure tridimensionnelle. Des essaims entiers de ces robots pourraient être libérés pour créer de grandes structures telles que des ailes d’avion ou des habitats spatiaux. Illustration gracieuseté des chercheurs

L’un des avantages d’un tel assemblage est que les réparations et l’entretien peuvent être effectués facilement par le même type de processus robotisé que l’assemblage initial. Les sections endommagées peuvent être démontées de la structure et remplacées par des sections neuves, ce qui donne une structure tout aussi robuste que l’originale. « La désolidarisation est aussi importante que la construction « , dit Gershenfeld, et ce processus peut également être utilisé pour apporter des modifications ou des améliorations au système au fil du temps.

« Pour une station spatiale ou un habitat lunaire, ces robots vivraient sur la structure, l’entretenant et la réparant continuellement « , explique Jenett.

En fin de compte, de tels systèmes pourraient être utilisés pour construire des bâtiments entiers, en particulier dans des environnements difficiles comme l’espace, la lune ou Mars, dit Gershenfeld. Cela pourrait éliminer la nécessité d’expédier de grandes structures pré-assemblées depuis la Terre. Au lieu de cela, il pourrait être possible d’envoyer des lots importants de ces minuscules sous-unités – ou de les former à partir de matériaux locaux à l’aide de systèmes qui pourraient produire ces sous-unités à leur point de destination finale. « Si vous pouvez fabriquer un avion gros-porteur, vous pouvez construire un bâtiment « , dit Gershenfeld.

Sandor Fekete, directeur de l’Institut des systèmes d’exploitation et des réseaux informatiques de l’Université technique de Braunschweig, en Allemagne, qui n’a pas participé à ces travaux, déclare : « Les matériaux numériques ultralégers comme (ceux-ci) ouvrent des perspectives étonnantes pour construire des structures efficaces, complexes et à grande échelle, qui sont d’une importance capitale dans les applications aérospatiales ».

Mais l’assemblage de tels systèmes est un défi, dit M. Fekete, qui prévoit de se joindre à l’équipe de recherche pour poursuivre le développement des systèmes de contrôle. « C’est là que l’utilisation de petits robots simples promet d’apporter la prochaine percée : Les robots ne se fatiguent pas et ne s’ennuient pas, et l’utilisation de nombreux robots miniatures semble être le seul moyen d’accomplir ce travail essentiel. Ce travail extrêmement original et intelligent de Ben Jenett et de ses collaborateurs fait un pas de géant vers la construction d’ailes d’avion dynamiquement réglables, d’énormes voiles solaires ou encore d’habitats spatiaux reconfigurables. »

Gershenfeld dit : « Nous avons l’impression de découvrir un nouveau domaine des systèmes hybrides matériel-robot ».