Le besoin critique d'une puissance durable dans les robots à distance

Les robots souples, qui sont fabriqués à partir de matériaux conformes tels que les silicones, les hydrogels ou les polymères à mémoire de forme, sont particulièrement adaptés aux environnements extrêmes où les robots rigides échouent. Dans les profondeurs de broyage de la tranchée Mariana, le vide de l'orbite basse Terre, les décombres radioactifs d'une catastrophe nucléaire, ou la glace mouvante de l'Arctique, les robots souples peuvent se conformer à des surfaces irrégulières, se presser par des passages étroits et résister à de grandes déformations sans casser. Pourtant, leur plus grande promesse est aussi leur plus grande faiblesse : la puissance. Les batteries au lithium-ion conventionnelles sont volumineuses, rigides et ont une densité énergétique limitée qui limite la durée de la mission à des heures ou des jours.

Les sources d'énergie disponibles dans les environnements éloignés sont diverses : vibrations mécaniques des courants océaniques ou activité sismique, gradients thermiques près des évents hydrothermaux, rayonnement électromagnétique de la lumière du soleil, même réactions biochimiques dans le sol ou l'eau de mer. En intégrant des composants de récolte d'énergie directement dans le corps mou du robot, les concepteurs peuvent éliminer le besoin de blocs d'énergie lourds et rigides et créer des machines autoalimentées, légères et adaptables sans fin. La recherche dans ce domaine s'est accélérée au cours des dix dernières années, mue par les progrès de l'électronique flexible, des matériaux nanostructurés et de la conversion d'énergie multimodale.

Les fondamentaux de la récolte d'énergie pour la robotique douce

Contrairement aux moissonneurs rigides classiques (par exemple, les éoliennes ou les panneaux solaires), les moissonneurs souples doivent s'étirer, plier et tourner sans perdre de performance. L'énergie récoltée est généralement de faible puissance, allant de microwatts à milliwatts, mais suffisante pour les capteurs, la communication sans fil et l'actionnement intermittent. La plupart des systèmes robotisés souples associent le moissonneur à un petit élément de stockage (une batterie supercondensateur ou à film mince) pour adoucir l'alimentation intermittente et fournir des éclats de puissance pour la locomotion ou la transmission de données.

Trois mécanismes primaires de récolte d'énergie ont été démontrés avec succès dans des robots souples : piézoélectrique, triboélectrique et photovoltaïque. Des méthodes électromagnétiques et thermoélectriques émergent également, bien que leurs composants rigides nécessitent souvent des solutions architecturales créatives pour maintenir la douceur.

La récolte piézoélectrique : Capturer les vibrations mécaniques

Les matériaux piézoélectriques, comme le fluorure de polyvinylidène (PVDF), la céramique au titanat zirconate de plomb (PZT) ou les nanofils d'oxyde de zinc, génèrent un potentiel électrique lorsqu'ils sont déformés mécaniquement. Dans les robots mous, ces matériaux sont intégrés sous forme de minces films, fibres ou composites dans le corps du robot.

Par exemple, les chercheurs ont construit des poissons robotisés mous qui nagent à l'aide d'une nageoire de queue actionnée par un alliage de forme-mémorie. En intégrant des bandes PVDF le long de la surface de la nageoire, le poisson peut récolter de l'énergie à partir de la flexion passive de la nageoire pendant qu'il se déplace à travers l'eau. Dans les déserts ou dans les environnements venteux, les robots mous ressemblant à des tompons ont utilisé des cantileurs piézoélectriques pour générer de l'énergie à partir du laminage et du rebondissement. Une étude historique dans Science Robotics a démontré un robot souple qui pourrait marcher et récolter de l'énergie simultanément à partir de la déformation de ses propres jambes, obtenant un budget énergétique positif net à basse fréquence (~1 Hz).

La plupart des céramiques piézoélectriques sont fragiles, les intégrer dans des polymères souples réduit leur coefficient de couplage. La puissance de sortie de PVDF flexible est plus faible par cycle. Les chercheurs explorent des matériaux composites (p. ex. particules PZT dispersées dans du silicone) et des conceptions multicouches pour augmenter la puissance sans sacrifier la conformité.

Triboélectriques : La puissance entraînée par la friction

Lorsqu'une paire de matériaux (par exemple, silicone et nylon, PTFE et aluminium) sont mis en contact puis séparés, les électrons se transfèrent à travers l'interface, créant ainsi une différence potentielle. Dans les robots souples, les TENG peuvent être intégrés comme couches minces et flexibles qui glissent, pressent ou frottent les unes contre les autres pendant le mouvement normal des robots, comme le rampage, la prise de main ou le gonflement.

Un exemple convaincant est un grippeur souple qui récolte de l'énergie chaque fois qu'il saisit un objet. Le grippeur , les doigts sont doublés de couches triboélectriques; chaque contraction génère une petite charge qui alimente un capteur de température ou de pression. Dans un contexte de haute mer, un robot souple équipé d'un TENG peut générer de l'énergie à partir de la différence de pression causée par les courants océaniques ou la compression périodique d'une vessie de flottaison. Un papier 2022 dans Des matériaux énergétiques avancés a signalé un robot souple à base de TENG qui a fonctionné sous l'eau pendant 30 jours sans batterie externe, en utilisant seulement l'énergie du mouvement des vagues et sa propre course de natation ondulante.

Le principal inconvénient des TENG est leur impédance interne élevée et leur faible débit de courant, qui sont les mieux adaptés pour alimenter les appareils électroniques ultra-faible puissance (capteurs, émetteurs).Les circuits de gestion de puissance doivent correspondre avec soin à la charge. En outre, les performances TENG se dégradent dans les environnements humides en raison de fuites de charge, bien que de nouveaux revêtements hydrophobes et des conceptions encapsulées réduisent ce problème.

La récolte solaire : Photovoltaïque flexible pour les environnements ensoleillés

Les cellules photovoltaïques (PV) sont la technologie de récolte d'énergie la plus mature, et les récentes avancées en matière de photofilms minces et photovoltaïques organiques les ont rendues compatibles avec les substrats robotiques mous. Les cellules solaires flexibles à base de perovskites, polymères organiques ou titania sensibilisés aux colorants peuvent être stratifiés sur des surfaces douces sans les raidir de façon significative.

Une application emblématique est un rover robotique souple conçu pour l'exploration lunaire. Sa peau solaire flexible couvre tout son corps, lui permettant de alimenter ses moteurs et électroniques pendant la journée lunaire. Parce que la peau est déformable, le rover peut se plier dans une configuration de lancement compacte et se déployer ensuite à l'atterrissage. Sur Terre, les chercheurs ont construit des robots souples qui flottent sur l'eau, en utilisant des corps transparents en silicone avec des cellules photovoltaïques organiques intégrées. Ces robots peuvent effectuer une surveillance environnementale tout en récoltant de l'énergie solaire.Une ressource clé sur l'intégration solaire flexible est cette revue détaillée de Joule:

La récolte solaire a deux principales limites : elle nécessite de la lumière et l'efficacité des cellules flexibles (généralement 10 à 15 %) est inférieure à celle des cellules rigides en silicium (~22 à 24 %). Pour les environnements profonds ou les cavernes, le solaire n'est pas viable. Cependant, des systèmes hybrides ont été proposés qui combinent le solaire et les moissonneuses de vibrations, de sorte que le robot peut fonctionner à la fois en lumière du soleil et dans l'ombre.

Méthodes émergentes : récolte thermoélectrique, électromagnétique et biohybride

Au-delà des trois techniques principales, plusieurs autres mécanismes méritent d'être mentionnés pour les applications à distance de niche.

Dans des environnements à forts gradients thermiques, comme les évents géothermiques, à l'intérieur d'une coque d'engin spatial ou à travers une surface de glacier, les TEG peuvent fournir une puissance constante. Des travaux récents ont permis de produire des TEG flexibles à l'aide de nanofils de bismuth-telluride imprimés sur des films de polymères, qui peuvent être enveloppés autour d'un corps de robot souple.

Les moissonneurs électromagnétiques comptent sur un aimant et une bobine mobiles pour générer du courant à partir du mouvement. Bien que généralement rigides, les chercheurs ont incorporé de petits aimants de terres rares dans du silicone souple et du fil de cuivre flexible enroulé le long d'un joint robot. Le mouvement relatif entre l'aimant et la bobine pendant la marche ou la natation induit le courant. Ces systèmes peuvent produire une puissance supérieure à TENGs (milliwatts) mais nécessitent plus d'espace et peuvent être affectés par des champs magnétiques externes.

Les moissonneurs de biohybrides[ utilisent des piles à combustible microbiennes (CMF) qui produisent de l'électricité à partir de matières organiques présentes dans le sol, l'eau ou les déchets. Un robot mou qui creuse dans les sédiments ou flotte dans une rivière polluée peut utiliser un CFM intégré à sa surface. Les microbes décomposent les composés organiques, libérant des électrons capturés par une anode. Bien que la densité de puissance soit très faible (microwatts par centimètre carré), les CFM peuvent fonctionner en permanence pendant des années, ce qui les rend idéales pour une surveillance de l'environnement à long terme en isolement.

Stratégies de récolte d'énergie spécifiques à l'environnement

Aucune technique de récolte d'énergie ne fonctionne de manière optimale partout. Le choix dépend de l'environnement spécifique de l'énergie. Ci-dessous, nous examinons trois paramètres archétypiques de distance: l'océan profond, l'espace extérieur et les zones de catastrophe.

Océan profond : Dominance triboélectrique et piézoélectrique

L'énergie solaire est indisponible et les gradients thermoélectriques sont petits. Cependant, l'énergie mécanique est abondante: courants océaniques, mouvement des vagues, et les variations de pression interne causées par la natation ou la plongée. Les moissonneurs triboélectriques et piézoélectriques sont idéaux parce qu'ils ne nécessitent pas de lumière et peuvent être construits à partir de matériaux qui résistent à la haute pression et à l'eau salée corrosive. Les chercheurs ont développé des poissons et des méduses robotisés mous qui utilisent les TENG intégrés dans leurs cloches gélatineuses pour récolter l'énergie de chaque impulsion. Un exemple notable est un robot mou qui peut plonger à 1000 mètres et générer suffisamment de puissance à partir de la différence de pression pendant l'ascension pour recharger une petite batterie.

Espace extra-atmosphérique: Solar Plus Triboélectrique pour les opérations à faible puissance

Dans l'espace, le soleil fournit un flux constant de photons (~1,36 kW/m2 en orbite terrestre). Les cellules solaires flexibles peuvent couvrir toute la surface d'un robot souple, mais le vide, le cycle thermique extrême et le rayonnement nécessitent une encapsulation robuste. Pour les surfaces lunaires ou martiennes, le solaire est l'option principale. De plus, la récolte triboélectrique peut capter l'énergie du mouvement mécanique des particules de poussière (l'effet triboélectrique de regolith) ou des mécanismes de déploiement du robot lui-même. La NASA a financé la recherche sur les robots souples qui récoltent l'énergie de la vibration du train d'atterrissage ou de la flexion des structures gonflables.

Zones de catastrophe dangereuses : récolte multimodale

Les zones de catastrophe comme les décombres de tremblements de terre, les sites de fusion nucléaire ou les mines effondrées sont des environnements chaotiques et pauvres en énergie. La lumière peut être bloquée, les gradients thermiques imprévisibles, mais les vibrations mécaniques des postchocs ou des débris mobiles sont fréquentes. Les robots souples qui peuvent ramper, presser et monter ont besoin de moissonneurs d'énergie qui sont extrêmement robustes et ne comptent pas sur une seule source. Les systèmes hybrides – par exemple, combinant des cellules photovoltaïques (si aucune lumière pénètre) avec des couches piézoélectriques et triboélectriques – offrent les meilleures chances de maintenir l'énergie. Un robot souple pourrait charger son supercondensateur tout en étant bousculé par des débris, puis utiliser l'énergie stockée pour déplacer et détecter les fuites chimiques dangereuses.

Principaux défis et solutions émergentes

Malgré des décennies de progrès, plusieurs défis fondamentaux demeurent avant que les robots mous puissent compter exclusivement sur l'énergie récoltée pour des missions prolongées.

Stockage de l'énergie et gestion de l'énergie

Les robots souples ont besoin d'un stockage efficace – batteries au lithium à film mince ou supercondensateurs qui peuvent s'adapter au corps. Les surcondensateurs flexibles actuels ont une densité d'énergie de 10 à 20 Wh/kg, bien en dessous de l'ion au lithium rigide (~200 Wh/kg). Les chercheurs explorent les électrolytes à l'état solide et les électrodes au carbone-nanotube pour augmenter la capacité sans compromettre la flexibilité.

Durabilité et fatigue des matériaux

Les robots souples subissent une déformation répétée sur des millions de cycles. La crique piézoélectrique, les couches triboélectriques s'usent et les cellules solaires se délaminent. Les polymères autoguérisants et les liaisons covalentes dynamiques permettent à certains matériaux de réparer les microcracks de façon autonome. Une étude 2023 réalisée dans Matériaux naturels a démontré un composite piézoélectrique autoguérissable qui maintient 90 % de sa production après 100 000 cycles de flexion.

Efficacité dans des conditions réalistes

Les tests de laboratoire correspondent rarement à des conditions réelles. Par exemple, les performances du TENG diminuent fortement en humidité élevée; les cellules PV perdent de l'efficacité à des températures élevées; les moissonneurs piézoélectriques sont les plus efficaces en résonance, mais les vibrations naturelles sont à large bande. Les chercheurs développent des mécanismes d'ajustement des réglages, tels que des matériaux de rigidité variable qui changent la constante de ressort en réponse à la fréquence, et des conceptions à large bande qui utilisent des modes de résonance multiples.

Orientations et perspectives futures

L'avenir de la récolte d'énergie pour les robots souples réside dans l'intégration et l'intelligence. Les moissonneuses multimodales qui combinent des éléments solaires, triboélectriques et piézoélectriques sur le même substrat deviendront standard, permettant aux robots de passer sans heurts entre les sources d'énergie. Les robots souples eux-mêmes seront conçus à partir de la terre comme des systèmes autonomes d'énergie, chaque composant contribuant à la production d'énergie : la peau récolte la lumière, les muscles se déplacent et la structure interne stocke l'énergie comme un supercondensateur structurel.

Les progrès de l'électronique imprimable permettent de fabriquer à bon marché les moissonneuses en utilisant des procédés de roulis, en réduisant les coûts et en rendant les robots souples à usage unique réalisables pour le nettoyage de l'environnement. Une autre direction passionnante est l'utilisation de l'énergie biomécanique du robot propre locomotion – faisant essentiellement le mouvement du robot payer pour lui-même.

Enfin, la collecte d'énergie permettra une nouvelle classe de robots souples -déployés et oubliés qui fonctionnent pendant des mois ou des années, transmettant périodiquement des données de sites éloignés. Ces robots pourraient surveiller les changements climatiques dans l'Arctique, inspecter les pipelines en eau profonde, rechercher la vie dans les lacs subglaciaires sur Terre (ou sur Europa), et fournir des relais de communication résilients dans les zones de catastrophe.

Conclusion

La récolte d'énergie n'est pas seulement un accessoire pour les robots mous, c'est une condition préalable à leur déploiement à long terme dans des environnements éloignés et inaccessibles. La récolte piézoélectrique, triboélectrique et solaire s'est déjà avérée efficace dans les prototypes de recherche, avec des méthodes thermoélectriques, électromagnétiques et biohybrides qui montrent des promesses pour des niches spécifiques. La clé des systèmes pratiques réside dans l'hybridation de multiples techniques, l'amélioration de la densité de stockage et le développement de matériaux qui peuvent survivre dans des conditions extrêmes sans rupture.