La dernière tendance populaire et prometteuse en matière de robotique est la miniaturisation. Les dernières avancées en matière de bots et de drones ne reposent pas sur la technologie numérique mais sur le poids : plus la taille des capteurs, l'importance des caméras et autres équipements intelligents sont réduits, mieux c'est.
Microbots
La microbotique est le domaine de la robotique miniature, notamment les robots mobiles dont la taille caractéristique est inférieure à 1 mm. Cette terminologie peut également être utilisée pour les robots capables d'usiner des composants de taille micrométrique.
Histoire de l'émergence des micro-robots
Les microbots sont nés de l'avènement du microcontrôleur dans la dernière décennie du 20e siècle et du début des systèmes mécaniques miniatures. Les premières recherches et le développement conceptuel de ces petits robots ont eu lieu au début des années 1970 dans le cadre d'une étude (alors) privée pour les agences de renseignement américaines. À l'époque, les principaux objectifs de la recherche étaient de répondre au besoin d'organiser des missions de sauvetage de prisonniers et d'interception électronique. À l'époque, les technologies essentielles de soutien à la miniaturisation n'étaient pas entièrement développées, de sorte qu'aucun progrès significatif n'a été réalisé dans le développement de prototypes. Les progrès de la connectivité sans fil, notamment le Wi-Fi, ont considérablement augmenté la capacité de communication des microbots et donc leur capacité à se coordonner avec d'autres microbots pour effectuer des tâches plus complexes. En effet, de nombreuses études récentes se sont concentrées sur les communications des microbots, notamment un robot de l'université de Harvard qui s'assemble en différentes formes, et la production de microbots à SRI International pour le programme MicroFactory for Macro Products de la DARPA, qui peut créer des structures légères et très résistantes..
Caractéristiques de conception
Les micro-robots ont une taille inférieure à 1 mm. Ils diffèrent en cela des millirobots, inférieurs à 10 cm (4 pouces), des petits robots inférieurs à 100 cm (39 pouces) et des nanorobots, d'une taille inférieure ou égale à 1 micromètre ou comprise entre 1 et 1000 nm. En raison de leur petite taille, les micro-robots sont potentiellement très bon marché et peuvent être utilisés en grande quantité (robots en essaim) pour explorer des environnements trop petits ou trop dangereux pour les humains ou les robots plus géants. Les micro-robots sont particulièrement utiles pour rechercher des survivants dans des bâtiments effondrés après un tremblement de terre ou pour scanner le tube digestif. Ils manquent de puissance physique et/ou de puissance de calcul, mais cela peut être compensé par des groupes ou des essaims de micro-robots. La façon dont les micro-robots se déplacent dépend de leur objectif et de la taille nécessaire. Par exemple, les robots fonctionnant dans des environnements aqueux ou autres liquides ont souvent des flagelles rotatifs mobiles. L'un des principaux problèmes que pose le déplacement d'un micro-robot est d'obtenir cette capacité en utilisant une source d'énergie minimale. Les micro-robots peuvent utiliser une petite batterie légère ou être alimentés par l'énergie de l'environnement sous forme de vibrations. Les micro-robots utilisent également des moteurs biologiques comme sources d'énergie, tels que les flagelles, pour obtenir de l'énergie chimique du fluide environnant afin d'alimenter le dispositif robotique. Une alternative courante à la batterie embarquée consiste à alimenter les robots en utilisant une énergie externe. Il s'agit par exemple de champs électromagnétiques, d'ultrasons et de lumière pour activer et contrôler les micro-robots. Pour être autonome, un micro-robot doit avoir :
- Capteurs suffisamment efficaces (micro- ou nanocapteurs),
- l'autonomie énergétique nécessite des micro-batteries performantes de faible puissance ou la capacité de trouver et d'utiliser une source d'énergie externe (solaire, micro-ondes, source d'hydrogène, capacité biomimétique à extraire l'énergie de la matière organique, etc.). Une façon d'économiser de l'énergie est de s'assurer que les différentes fonctions du micro-robot ne sont activées qu'en cas de besoin et de manière optimale. Le reste du temps, ils sont mis en veille, ce qui ne les empêche pas de se déplacer passivement (emportés par le vent, le courant, le véhicule, etc.),
- un système intelligent intégré (individuel ou collectif dans le cas de robots avec des fonctions supplémentaires travaillant ensemble) et/ou une communication qui permet l'interaction ou le contrôle à distance,
- le programme doit être suffisamment complexe pour répondre à l'apparition d'événements simples et de changements dans l'environnement (stimuli) et y répondre (individuellement ou collectivement) par des réactions appropriées.
Applications
Les excellentes perspectives avec les micro-robots impliquent des tâches dangereuses, douloureuses, répétitives ou impossibles pour l'homme (dans de petits espaces, dans le vide) ou des fonctions plus accessibles. Pourtant, les robots peuvent les exécuter mieux que les humains. Ils peuvent également être utilisés comme robots industriels et techniques (capables, par exemple, de fabriquer de minuscules pièces ou mécanismes, de diagnostiquer ou de réparer l'intérieur d'une machine sans la démonter, d'inspecter une tuyauterie de l'intérieur, etc.). Ils sont capables de travailler dans le vide ou dans un environnement sans air, etc. De nos jours, des micro-robots ont déjà été développés et appliqués dans la sphère domestique (robots de service), par exemple des robots pour aspirateurs et des jeux ou des robots d'entraînement pour programmation.
Applications des micro-robots dans les soins de santé
L'année 2018 a vu des progrès significatifs dans l'utilisation des micro-robots dans les soins de santé. Des chercheurs de la City University de Hong Kong ont publié une étude dans la revue Science Robotics affirmant que les micro-robots peuvent être utilisés pour diagnostiquer des maladies, administrer des médicaments et même en chirurgie, le tout au niveau cellulaire. Les chercheurs ont déjà mené avec succès des essais, tels que la livraison de cellules au bon endroit chez une souris vivante. L'application pratique potentielle de ces technologies est la délivrance de substances bénéfiques à un foyer spécifique du corps humain, ce qui pourrait devenir un nouveau type de médecine personnalisée non invasive. Les scientifiques développent depuis des années des robots encore plus petits pour une médecine plus précise. La miniaturisation actuelle les a considérablement aidés à créer des micro-robots médicaux, dont l'unité de mesure n'est plus le millimètre mais le micron. Ces petits robots peuvent diagnostiquer et surveiller les maladies en temps réel, mesurer la glycémie des diabétiques ou administrer précisément les médicaments nécessaires à une cible, telle qu'une tumeur. Les développeurs ont également créé des micro-robots flottants capables de naviguer dans les fluides corporels humains. Ces robots imitent les processus naturels du corps ; ils avancent en utilisant des ondes métachrones, semblables aux infusoires du corps humain. Les scientifiques tentent de trouver des applications à ces technologies, du traitement des maladies cardiovasculaires à la chirurgie oculaire. À l'avenir, des micro-robots pourraient nettoyer les artères de la plaque et briser les calculs rénaux. Un robot médical ou une aide médicale sous la forme d'un micro-robot pourrait un jour être capable de travailler dans un organisme vivant.
Application de micro-robots dans des conditions extrêmes
Tout d'abord, les conditions extrêmes dans le domaine de la robotique sont dangereuses pour les personnes ou les dispositifs techniques : rayonnement de fond élevé, environnement chimiquement agressif, champs électromagnétiques puissants, pression et température élevées. Lorsque les robots effectuent diverses tâches sur les lieux de catastrophes naturelles ou provoquées par l'homme ou de conflits militaires, l'environnement non déterministe prend une importance particulière, car, outre les conditions externes extrêmes, il existe un degré élevé d'incertitude non seulement quant aux paramètres de l'environnement lui-même, mais aussi quant aux opérations à effectuer. La résistance des robots aux conditions environnementales agressives est assurée principalement par des solutions techniques et d'ingénierie. Dans le même temps, la capacité des robots à réagir de manière adéquate et opportune aux changements imprévus des paramètres écologiques dépend principalement de la stratégie de contrôle choisie, ainsi que du niveau d'intelligence du robot. Ces robots doivent être équipés d'une puissante machine de calcul embarquée, d'une grande quantité de ressources énergétiques embarquées et, souvent, d'un ensemble important d'organes de travail. Cette accumulation de matériel entraîne une augmentation des dimensions et du poids du robot, ce qui limite considérablement son champ d'application. En même temps, parmi les diverses tâches résolues par la robotique extrême, il y a plusieurs tâches pour lesquelles un robot de petite taille est souhaitable et parfois nécessaire. Il s'agit notamment de la surveillance de territoires et de zones aquatiques dans des conditions de résistance ennemie organisée, de la recherche de victimes dans les décombres après des catastrophes naturelles ou d'origine humaine, de la recherche et de la neutralisation d'engins explosifs dans le cadre d'opérations antiterroristes dans des zones urbaines denses, de l'exploration de la surface d'autres planètes, etc. La résolution de telles tâches nécessite des micro-robots de petites dimensions et de faible masse, qui permettent de se déplacer librement dans des passages étroits, en restant inaperçus des radars ennemis. De tels robots se caractérisent par des coûts moindres de transport du complexe robotique vers le lieu de travail. Cependant, la petite taille des micro-robots impose certaines limites :
- Il est difficile de se déplacer dans un espace non préparé car des saillies et des dépressions relativement petites peuvent gêner le mouvement du micro-robot,
- la tâche de déplacer de gros corps (par exemple, des victimes d'un tremblement de terre ou des échantillons de roche) à l'aide d'un micro-robot est difficile. Les petites dimensions d'un micro-robot imposent également plusieurs limitations indirectes :
- La petite réserve d'énergie embarquée du micro-robot,
- la petite taille et la consommation électrique des moyens de communication entraînent des limitations du rayon maximal de communication radio,
- le nombre d'outils de travail disponibles pour le robot est considérablement limité. Toutes les limitations ci-dessus s'appliquent à un seul micro-robot. Par conséquent, une solution évidente à ces problèmes pourrait être d'utiliser un groupe de micro-robots capables de combiner leurs efforts pour résoudre des tâches complexes. Les micro-robots peuvent s'entraider pour surmonter les obstacles et effectuer ensemble le transport d'un grand corps. L'échange d'informations dans un groupe de robots permet d'élargir les informations sur l'environnement disponibles pour chaque robot. Parallèlement, certaines tâches peuvent être réparties entre des micro-robots et exécutées en parallèle. Par exemple, pendant que certains robots d'un groupe collectent des données environnementales, d'autres collectent des échantillons de sol. De plus, l'application groupée de micro-robots permet de réduire le risque d'échec de tâche car l'endommagement d'un ou plusieurs micro-robots de groupe dans le cas général (principalement dans les stratégies d'essaimage et de contrôle collectif) ne conduit pas à un échec de tâche. Cependant, cela réduit l'efficacité du groupe. Dans le même temps, les dommages aux unités individuelles d'un seul robot peuvent perturber le travail qu'il effectue et les tentatives de dupliquer les unités fonctionnelles les plus élémentaires du robot entraînent une augmentation de la masse, des dimensions et du coût du robot, mais ne le font pas. augmenter l'efficacité du travail (voire le réduire, compte tenu de la grande taille et du groupe).
Stratégies de gestion d'un groupe de micro-robots
L'efficacité des groupes de micro-robots dépend principalement de la stratégie de contrôle choisie. Une différence est faite entre les stratégies de contrôle centralisées et décentralisées. Dans les stratégies de commande centralisées, un dispositif de commande central a accès aux informations sur l'état de tous les robots du groupe et sur l'environnement. Le dispositif de commande évalue la situation actuelle et prend des décisions concernant les actions des robots du groupe. Le dispositif de commande central peut être situé à l'extérieur du groupe (par exemple, sur le panneau de commande de l'opérateur) ou à bord d'un des robots du groupe. Dans ce dernier cas, on parle de commande centralisée "avec un maître." ; Les stratégies de commande centralisée donnent de bons résultats lorsque le nombre de robots dans le groupe est faible. Lorsque la taille du groupe augmente, la charge sur le canal de communication et les moyens de calcul du dispositif de commande augmentent. Une solution consiste à utiliser des stratégies de commande hiérarchiques dans lesquelles un groupe de robots est divisé en sous-groupes, chacun ayant son chef (généralement parmi les robots du groupe), et les chefs de sous-groupes sont commandés par un dispositif de commande central situé à bord de l'un des robots ou, plus souvent, à l'extérieur du groupe. Les stratégies de contrôle hiérarchique compliquent la nature des communications entre les robots du groupe, ce qui impose des exigences sévères aux équipements de communication embarqués. Les interférences dans le canal de communication sont très préjudiciables au groupe fonctionnant selon des stratégies de contrôle centralisé. En outre, la défaillance d'un robot contrôlant un groupe ou un sous-groupe entraîne de graves problèmes - la communication avec tous les robots sous son contrôle est perdue. Les stratégies de commande décentralisée de groupes de robots comprennent les stratégies de commande collective, d'essaim et d'essaimage. Dans une stratégie de commande collective, chaque robot d'un groupe reçoit des informations de tous les autres robots du groupe et transmet les informations qu'il a recueillies sur l'environnement et son état au canal de communication afin que ces informations soient disponibles pour tous les autres robots du groupe. Ainsi, l'échange d'informations dans un groupe de robots sous commande collective s'effectue selon le principe "chacun pour tous". De ce fait, chaque robot peut évaluer indépendamment la situation actuelle et décider des actions à entreprendre. Les stratégies de commande collective permettent au groupe de rester opérationnel en cas de défaillance d'un ou de plusieurs robots du groupe. La charge sur le canal de communication augmente en proportion directe du nombre de robots dans le groupe. La limitation des dispositifs informatiques embarqués des robots augmente également puisqu'ils doivent traiter les informations reçues. Bien que la limite supérieure de la taille admissible du groupe dans les méthodes de commande collective soit, en moyenne, plus élevée que dans les méthodes centralisées, l'évolutivité de ces méthodes laisse beaucoup à désirer. Dans les stratégies de commande en essaim, il n'y a pas de canal de communication dédié pour l'échange d'informations entre les robots ; chaque robot collecte des informations sur l'environnement de manière indépendante et décide indépendamment de ses actions ultérieures pour contribuer à la tâche du groupe. L'absence de communication entre les robots d'un groupe dans le cadre des stratégies de commande en essaim permet de résoudre avec succès uniquement les tâches qui peuvent être facilement mises en parallèle en sous-tâches indépendantes et non liées. Le principal avantage des stratégies de contrôle en essaim est l'évolutivité : la complexité informatique des tâches de contrôle n'augmente pas avec la taille du groupe de robots, ce qui permet aux stratégies en essaim de contrôler d'énormes groupes de micro-robots. Les méthodes d'intelligence en essaim, déjà utilisées pour résoudre de nombreux problèmes pratiques, peuvent être appliquées au contrôle de grands groupes de robots, ce qui a conduit à l'apparition d'une direction distincte, la robotique dite en essaim. Chaque robot du groupe communique uniquement avec certains robots voisins se trouvant dans le champ de visibilité limité par la portée de ses dispositifs de télécommunication (ou artificiellement limité). Chaque robot prend sa propre décision quant à ses actions futures sur la base de règles locales simples. Le robot a accès aux informations sur l'environnement qu'il a lui-même recueillies, ainsi qu'aux informations sur l'environnement et l'état de certains robots du groupe qui lui ont été transmises par des robots voisins. Le robot transmet les données recueillies sur l'environnement et sa forme au canal de communication. Ces informations deviennent disponibles pour les robots dont le robot entre dans la ligne de vue (dans le cas d'un même rayon de vision, il s'agit des mêmes robots voisins). Cette approche donne aux robots plus d'informations sur leur environnement que dans les stratégies de contrôle en essaim. Les informations disponibles concernent la zone qui les entoure, c'est-à-dire qu'elles sont les plus pertinentes. Dans le même temps, l'évolutivité est préservée - l'augmentation de la taille du groupe n'accroît pas la charge des dispositifs informatiques embarqués. Ainsi, les méthodes d'intelligence en essaim offrent d'excellentes opportunités pour développer des micro-robots applicables en masse, permettant l'utilisation réussie de grands groupes de micro-robots. Cependant, les réalisations de la robotique en essaim se limitent à quelques projets expérimentaux ; elles sont encore presque rares dans la pratique.
Obstacles au développement d'applications de groupes de micro-robots
L'un des obstacles apparents au développement de la robotique en essaim est que plusieurs groupes de micro-robots doivent servir d'objets de contrôle, ce qui implique une production de masse relativement peu coûteuse de micro-robots. Les progrès de la microélectronique, de la mécatronique et des nanotechnologies laissent penser que la production en masse de micro-robots sera bientôt possible et économiquement réalisable.
Le deuxième obstacle est le manque de théorie et d'approches générales pour créer et développer des méthodes de contrôle d'essaims dans des groupes de robots. À ce jour, une grande partie de la recherche s'est concentrée sur l'utilisation d'analogues naturels des méthodes d'intelligence en essaim pour résoudre des problèmes techniques : les fourmis, les abeilles, les volées d'oiseaux et les bancs de poissons, ainsi que les systèmes immunitaires ont servi de prototypes pour diverses méthodes d'intelligence en essaim.
Les différences entre les tâches et les capacités des systèmes naturels et techniques font qu'il est difficile de trouver et d'adapter des algorithmes naturels pour résoudre des problèmes techniques. Plusieurs types de recherche sont consacrés à la création de méthodes artificielles d'intelligence en essaim, initialement destinées à résoudre des problèmes pratiques. Malheureusement, l'absence d'une approche unifiée complique ces études. En fait, chaque nouveau problème est résolu presque "à partir de zéro" à chaque fois. On s'attend à ce que l'utilisation d'un système approprié pour résoudre plusieurs tâches simplifie considérablement la tâche d'organisation de l'interaction en essaim dans les groupes de micro-robots utilisables en masse.
Petits robots, grandes perspectives
Les objets du niveau micro étant régis par des forces et des lois très différentes de celles du niveau macro, la recherche fondamentale sur ces phénomènes semble inévitable. Un défi important dans l'utilisation des micro-robots mobiles est d'obtenir un comportement prévisible et une contrôlabilité du robot, y compris le comportement d'essaimage. En outre, les micro-robots utilisés pour des observations dans le cadre d'applications militaires et civiles ont besoin de sources d'énergie fiables et à long terme. Ces applications impliquent également des défis importants pour la conception des micro-robots, en fonction de l'environnement d'application des micro-robots volants, rampants ou flottants. La communication au sein d'essaims de micro-robots constitue également un défi de taille dans cette application. Une chose est claire : alors que de nombreux projets et idées de micro-robots n'en sont qu'à leurs débuts, cette industrie est prête à connaître une croissance énorme car les opportunités sont nombreuses. Selon Energias Market Research, le taux de croissance annuel composé cumulé du marché mondial des micro-robots jusqu'en 2024 sera de 65 %, car diverses industries trouvent des applications pour ces technologies.