Qu'est-ce que la robotique douce?

La robotique douce est un sous-domaine de la robotique qui se concentre sur la construction de machines à partir de matériaux très conformes, tels que les élastomères de silicone, les hydrogels et les textiles, plutôt que les métaux et les plastiques rigides. Ces matériaux peuvent subir de grandes déformations, permettant aux robots de plier, de tordre, d'étirer et de serrer de façon à imiter les organismes biologiques. Contrairement aux robots traditionnels, qui reposent sur des angles d'articulation précis et des structures rigides, les robots souples utilisent des principes comme l'inflation pneumatique, la tension de câble ou les alliages de forme-mémory pour obtenir un mouvement.

La différence fondamentale entre robotique souple et robotique rigide ne concerne pas seulement les matériaux, mais aussi la philosophie de contrôle. Les robots rigides nécessitent une modélisation mathématique précise et un contrôle de rétroaction pour éviter les erreurs, alors que les robots souples peuvent compter sur leurs propriétés physiques pour s'adapter passivement, simplifier le contrôle dans de nombreux scénarios.

Avantages de la robotique douce en prothèses

L'application de la robotique douce aux membres prothétiques répond à plusieurs limites de longue date des prothèses rigides conventionnelles. Ci-dessous sont les principaux avantages qui conduisent la recherche et le développement dans ce domaine.

Confort et ajustement améliorés

Les bases prothétiques traditionnelles sont souvent en plastique dur ou en fibre de carbone, ce qui peut causer des points de pression, une irritation cutanée et un malaise, surtout pendant une utilisation prolongée. Des composants robotiques souples peuvent être intégrés dans la doublure ou le membre lui-même, en utilisant des matériaux qui se conforment étroitement à la forme du membre résiduel. Cela réduit les pressions de pointe et permet une répartition plus uniforme des forces.

Mouvements plus naturels

La robotique douce permet des mouvements plus fluides et plus fluides en utilisant des actuateurs flexibles qui imitent la façon dont fonctionnent les muscles biologiques. Par exemple, muscles artificiels pneumatiques (aussi appelés muscles McKibben) se contractent lorsqu'ils sont gonflés, ressemblant étroitement à la contraction d'un muscle humain. Lorsqu'ils sont disposés en paires antagonistes autour d'une articulation, ils peuvent produire une flexion et une extension conformes et naturelles. Une main robotique douce peut saisir des objets avec une rigidité variable, enveloppant autour d'un élément fragile comme un œuf sans l'écraser, quelque chose de rigide à faire. Ce mouvement fluide réduit la charge cognitive sur l'utilisateur et améliore la fonctionnalité du membre dans les tâches quotidiennes.

Amélioration de la réceptivité et du contrôle

Les capteurs souples intégrés dans l'interface prothèse peuvent détecter des contractions musculaires, des signaux électriques (EMG), ou même des changements de volume des membres avec une sensibilité élevée. Parce que les matériaux sont conformes, ils peuvent être placés directement contre la peau, fournissant un flux riche de données sans l'inconfort des électrodes rigides. Ces capteurs permettent un contrôle proportionnel: plus un utilisateur flexe un muscle, plus vite ou plus fort les mouvements prothèses. Ceci est une amélioration spectaculaire par rapport au contrôle en marche/arrêt typique de nombreuses prothèses myoélectriques actuelles.

Sécurité

Un des avantages les plus critiques de la robotique douce est la sécurité. Les prothèses traditionnelles sont lourdes et ont une inertie élevée; si elles oscillent de façon inattendue, elles peuvent blesser l'utilisateur ou les personnes à proximité. Prothèses robotiques douces, étant légères et conformes, énergie d'impact d'absorption[ plutôt que de la transmettre rigidement. Cette propriété est particulièrement importante pour les enfants ou les personnes âgées.

Développements actuels en Prothèses Robotiques Douces

Le domaine de la prothèse robotique douce évolue rapidement, avec plusieurs prototypes prometteurs et des projets de recherche qui démontrent le potentiel de cette technologie. Ces développements couvrent les applications de la partie supérieure et de la partie inférieure, chacune présentant des défis et des innovations uniques.

Mains et bras robotisés doux

Plusieurs laboratoires ont développé des mains robotiques souples qui intègrent des doigts flexibles actionnés par des tendons ou des canaux pneumatiques. La Soft Robotics Toolkit de l'Université Harvard fournit des conceptions open-source pour des pinces souples qui ont été adaptées en prothèses. Ces mains sont capables de tâches délicates comme ramasser un raisin ou saisir une poignée d'outil avec une force variable. Le travail récent inclut l'intégration de capteurs souples dans le bout des doigts pour fournir une rétroaction de force à l'utilisateur par vibration ou stimulation électrique sur le membre résiduel. Des entreprises comme Össur et Touch Bionics[ (maintenant partie d'Össur) ont commencé à intégrer des éléments souples dans les mains prothèses commerciales, comme des coussinets en silicone et des couvercles flexibles, bien que les actionneurs entièrement souples soient encore en phase de recherche.

Pieds et chevilles robotisés doux

Les prothèses de la partie inférieure de la tige bénéficient de la robotique douce en améliorant la démarche et l'efficacité énergétique. Les prothèses traditionnelles ont souvent une réponse fixe ressemblant à un ressort, qui peut se sentir contre nature. Les chevilles robotiques douces utilisent des actionneurs pneumatiques ou hydrauliques pour ajuster activement la rigidité et la position de la cheville pendant le cycle de marche. Par exemple, un pied robotisé souple peut stocker l'énergie pendant la phase de posture et la libérer pendant le dépoussage, en imitant la fonction naturelle du tendon d'Achille et des muscles de veau.

Intégration des capteurs doux

Tout aussi important que l'actionnement est la détection. Les peaux électroniques extensibles (peau électronique) sont en cours de développement qui peuvent être stratifiées sur la prise prothèse ou même tissées dans le matériau structurel.Ces peaux électroniques contiennent des tableaux de jauges de contrainte, capteurs de pression et capteurs de température qui fournissent une rétroaction riche.

Défis à surmonter

Malgré les avantages évidents, les prothèses robotiques douces font face à des obstacles importants qui doivent être abordés avant que l'adoption généralisée ne devienne possible.

Durabilité et fatigue des matériaux

Les matériaux souples, en particulier les élastomères, sont sensibles aux déchirures, aux perforations et à la dégradation de la lumière et de la sueur UV. Un membre prothétique doit résister à des années d'utilisation quotidienne, y compris l'exposition à la saleté, à l'humidité et aux températures extrêmes. Les actuateurs à base de silicone actuels échouent souvent après des milliers de cycles, bien en deçà des millions de cycles requis pour une prothèse fiable.

Complexité de contrôle

Bien que la robotique douce puisse simplifier certains aspects du mouvement par la conformité passive, contrôler les nombreux degrés de liberté d'un membre souple reste un défi. Le comportement non linéaire des matériaux souples rend difficile la prédiction précise, exigeant des algorithmes de contrôle avancés impliquant souvent un apprentissage profond ou un contrôle prédictif modèle. Ces algorithmes doivent fonctionner en temps réel sur un processeur intégré de faible puissance à l'intérieur de la prothèse. De plus, le système de contrôle doit être adaptable aux signaux anatomiques et musculaires uniques de chaque utilisateur.

Pouvoir et actionnement

Pour une prothèse portable, ces composants doivent être miniaturisés et efficaces. La vie de la batterie est un problème crucial : une main robotique souple peut devoir fonctionner pendant 12 à 16 heures sur une seule charge. Certains groupes de recherche travaillent sur des actionneurs souples à propulsion électrique, tels que les élastomères diélectriques ou les alliages de forme-mémoire, qui peuvent être entraînés par des batteries compactes mais qui ont actuellement une force et une vitesse inférieures à celles des systèmes pneumatiques.

Coûts et fabrication

La plupart des composants robotiques souples sont actuellement fabriqués à l'aide de techniques telles que la fonte en silicone ou l'impression 3D, qui ne sont pas facilement évolutives pour la production de masse. Il est essentiel de développer des méthodes de fabrication rentables, comme le moulage par injection de pièces souples ou la stratification automatisée des couches de capteurs, pour que ces dispositifs puissent être utilisés par une population plus large.

Perspectives et orientations de la recherche

La trajectoire de la robotique douce dans la prothèse indique que les appareils sont de plus en plus réalistes et intégrés. Plusieurs pistes de recherche sont particulièrement prometteuses pour la prochaine décennie.

Muscles et tendons artificiels

Un Graal sacré est le développement de muscles artificiels qui correspondent à la performance du muscle humain dans la puissance, la vitesse, l'efficacité, et l'auto-réparation. Des technologies comme actionneurs en polymères enroulés et enroulés (fil musculaire) et actionneurs photomécaniques sont en cours d'exploration. Lorsqu'ils sont disposés en paires antagonistes, ces derniers peuvent remplacer des moteurs et pompes volumineux, permettant des prothèses complètement douces, silencieuses et très efficaces.

Rétroaction sensorielle biomimétique

Les futures prothèses douces intégreront probablement des rétroactions sensorielles en boucle fermée qui communiquent directement avec le système nerveux de l'utilisateur. En intégrant des interfaces neurales douces qui enveloppent doucement les nerfs périphériques, il peut être possible non seulement de contrôler le membre mais aussi de sentir ce qu'il touche.

Conceptions modulaires et personnalisables

La fabrication additive (3D) de matériaux souples permet une prothèse très personnalisée à moindre coût. Un patient pourrait faire scander son membre résiduel et un système de prise et d'actionneur de prothèses robotiques souples pourrait être imprimé en 3D pour correspondre parfaitement à son anatomie. Les architectures modulaires permettraient aux utilisateurs d'échanger différents actuateurs ou modules de capteurs souples selon leur activité – une main dextérieuse pour le travail et un crochet robuste pour le levage lourd, par exemple. Ce niveau de personnalisation est difficile avec les prothèses rigides traditionnelles mais est inhérent à la flexibilité de l'approche robotique douce.

Intégration avec Exoskeletons et réhabilitation

La robotique douce est également prometteuse pour les exo-suits douces qui aident le mouvement des membres pour les personnes ayant une faiblesse musculaire, comme les survivants d'un accident vasculaire cérébral ou celles qui ont une dystrophie musculaire. Les mêmes principes s'appliquent : une augmentation conforme, légère et confortable.Ces appareils peuvent être utilisés à la fois comme prothèses d'assistance et outils de réadaptation pour recycler les modèles musculaires après une blessure.

Conclusion

La robotique douce offre un changement de paradigme dans la conception des membres prothétiques, s'éloignant des dispositifs rigides, lourds et non intuitifs vers des systèmes conformes, légers et adaptatifs qui imitent étroitement la biologie naturelle. Les avantages potentiels en matière de confort, de naturel de mouvement, de réactivité et de sécurité sont considérables et sont soutenus par un nombre croissant de recherches et de prototypes. Bien que des défis importants subsistent – en particulier en matière de durabilité, de contrôle, de puissance et de coût – chaque obstacle fait l'objet d'une recherche active de la part des scientifiques, des robotiques et des cliniciens du matériel.

Pour plus de détails, explorez les travaux de l'Initiative Harvard Soft Robotics , qui a été le pionnier de nombreuses technologies de base, et le Vanderbilt Rehabilitation Engineering Lab pour les prothèses douces à faible élévation. Des leaders de l'industrie comme Össur fournissent un aperçu des progrès commerciaux actuels.