Roborigami

En s’inspirant des propriétés mécaniques de certains origamis, des ingénieurs ont imaginé des robots qui utilisent des concepts de l’origami. D’une structure plate et fine peut naître, après une séquence de plis spécifiée, un robot autonome en 3 dimensions qui peut changer de forme et accomplir des tâches très précises. 

L’approche traditionnelle pour concevoir des robots est appelée ‘Bottom-up’ : les ingénieurs créent des composants individuels avant des les assembler manuellement (un peu comme un meuble Ikéa). Ici, on parle au contraire d’approche ‘Top-down’. La fabrication de robots en origami est beaucoup plus flexible (on part d’une feuille plate et il est beaucoup plus facile de corriger et d’améliorer son design) et moins coûteuse à assembler. Les robots origami peuvent changer de forme rapidement si leur environnement change par exemple.

I – Quelques exemples POUR COMMENCER

Des chercheurs du M.I.T. ont développé une feuille de quelques centimètres (résine+fibre de verre segmentée en triangles+charnières en silicone qui se ferment sous l’effet d’un courant électrique) qui peut se plier soit en un bateau, soit en un avion en seulement une quinzaine de secondes. L’algorithme utilisé détermine, à partir d’une forme 3D donnée (bateau ou avion), la séquence de pli optimale. Le pliage se fait suivant des charnières couplées à des ‘fils électriques’ qui en chauffant vont induire la fermeture de ces charnières. L’algorithme permet de limiter le nombre de charnières couplées à ces fils, limitant les coûts de fabrication, ou encore le poids.

Contrairement à un robot multifonction, ce petit robot cube est très simple mais n’est pas pour autant inflexible. Il peut s’associer ou se dissocier de son exosquelette en origami, comme un chevalier enfilerait une armure. Grâce à cet exosquelette, le robot peut naviguer et traverser des points d’eau. Pour se débarrasser de cet exosquelette, le robot cube plonge dans l’eau, l’armure se déplie et flotte à la surface de l’eau.

Ce robot de quelques centimètres de long contrôlé par un champ magnétique peut marcher, courir, grimper des pentes ou encore porter des charges. Il pourrait avoir des applications en médecine, pour le transport de médicament dans des zones spécifiques, par exemple.

II – Quels matériaux sont utilisés ?

Les robots ne sont plus des grosses machines faites de métal, aujourd’hui différents matériaux peuvent être utilisés, comme du plastique ou de la résine, ou encore des alliages à mémoire de forme (SMA). Pour des robots injectés dans le corps humain, le matériau doit se dégrader naturellement après utilisation. 

Les alliages à mémoire de forme (SMA) et polymères à mémoire de forme (SMP) sont des matériaux qui changent de forme en réponse à un changement de température.

Rappel SMA et SMP
Segmentation de la feuille en triangles rigides reliés par des charnières qui peuvent être couplées à des mécanismes d’activation (actuator)

Pour avoir un robot qui change de forme (feuille plate – formes en 3D), les ingénieurs divisent la feuille en formes géométriques plus petites reliées entre elles par des charnières (physiques, comme par exemple des joints en silicone, ou plus fictives comme des traits à l’encre colorée). Ces charnières se referment sous l’action d’un champ magnétique, d’un champ électrique, d’une lumière colorée, d’une température plus élevée, et bien d’autres possibilités encore. A l’inverse les parties entre les charnières restent rigides et plates.

Quelques défis : les charnières doivent résister à des contraintes mécaniques répétées (fermeture/ouverture), être protégées du bruit (par exemple, pour un robot pliable avec des diodes, on ne veut pas que la lumière naturelle puisse déclencher le mécanisme), être contrôlables (un robot origami possède un grand nombre de degrés de libertés), …

III – Les algorithmes de pliage

Est-ce qu’il est possible de plier n’importe quelle forme géométrique à partir d’une simple feuille de papier ?

Origamizer

Le premier algorithme proposé (Demaine et al., 1999) était universel mais proposait une séquence de plis peu optimale. Plus récemment, un algorithme plus utilisable en pratique a été développé, Origamizer, en se basant sur les travaux de Demaine et al., 2017.

Qu’entend t’on par ‘algorithme optimal’ ?

En réalité plusieurs choses. Un bon algorithme doit être capable de proposer une séquence de plis la plus petite possible, de minimiser la taille de la feuille initiale, d’être applicable dans un temps ‘raisonnable’ ou encore de minimiser les zones non utilisées . Au club, je vous demande parfois de cacher un grand nombre de couches de papiers pour le rendu final. Un ingénieur préfère éviter cette méthode, pour diminuer les coûts de production. Enfin, on recherche également des algorithmes, qui, à partir de la même forme initiale, peut donner des robots possédant différentes formes (pour qu’il puisse nager ou courir). L’algorithme de Demaine et al., 2017, permet de produire n’importe quelle forme (une théière, un lapin, …), mais chacune nécessite de commencer par une feuille à la géométrie spécifique.

Est-ce facile d’optimiser un algorithme ?

Cependant, optimiser un algorithme est un problème ‘complexe’ (on parle de problème NP-difficile), il faut simplifier le problème ou développer des heuristiques, des méthodes de calcul qui fournissent rapidement une solution, pas forcément optimale.

Quels sont les outils des développeurs ?

Les ingénieurs peuvent utiliser Origamizer (d’une forme 3D spécifiée est générée un Crease Pattern), popupCAS, Robot Compiler (la conception de robots spécifiques est automatisée), ou Merlin (pour les origamis dits ‘non-rigides’). Beaucoup de robots s’inspirent de structures biologiques (biomimétisme). Le robot ver de terre, par exemple, qui a fait l’objet d’une inforigami. Notons qu’il y a un compromis entre la complexité de la séquence de pliage et la complexité structurale et fonctionnelle du robot final”

Origami rigide = parties planes reliées par des joints. Les plis doivent se faire au niveau des jonctions et les parties planes ne peuvent pas se courber. Ce n’est pas le cas des origamis au club, où l’on utilise ses ongles sur des parties planes pour donner du volume.

Rappel : origami rigide

IV – Les Crease patterns utilisés

Waterbomb Tesselation

Nous avons plié cette tesselation au club, rappelez-vous 😉

V – Quelques applications

Médecine

Des petits robots peuvent voyager dans le corps humain. Ces pilules auto-déployables et ingérables se retrouvent dans l’estomac pour enlever des corps étranger, réparer des blessures ou apporter des médicaments. Voir Biomédecine Origami.

Locomotion sur des terrains accidentés

Ces roues de ce robot SNUMAX s’inspirent de la Waterbomb Tesselation et leur diamètre peut varier en fonction de la nature du terrain.

Exosquelette

Contrairement à un robot multifonction, ce petit robot cube est très simple mais n’est pas pour autant inflexible. Il peut s’associer ou se dissocier de son exosquelette en origami, comme un chevalier enfilerait une armure. Grâce à cet exosquelette, le robot peut naviguer et traverser des points d’eau. Pour se débarrasser de cet exosquelette, le robot cube plonge dans l’eau, l’armure se déplie et flotte à la surface de l’eau.

Préhension d’objets

Ce bras robotique peut soulever des objets lourds ou légers, et de différentes formes (canard en plastique, pomme ou bouteille)

Exploration spatiale

La N.A.S.A. développe des petits robots, de quelques centimètres pour l’exploration de MARS. PUFFER (Pop- Up Flat Folding Explorer
Robot) pourra être déployé sur Mars et ajuster la forme de son corps pour s’insérer dans des crevasses dans les roches par exemple.

VI – Une autre piste : les robots modulaires

Une des limitations des robots en origami est principalement fonctionnelle. Une tâche d’une grande complexité implique très souvent un grand nombre de plis à effectuer, ce qui n’est pas possible sur certains matériaux (essayez de plier l’Ancient Dragon de Satoshi Kamiya sur une feuille de papier Canson de taille 3*3cm !).

Pourquoi ne pas utiliser plusieurs feuilles ? Comme vous avez pu le remarquer au club, les origamis modulaires que nous avons pliés ont une apparence complexe, mais les modules unitaires sont très simples et comportent un petit nombre de plis. C’est le même principe pour les robots modulaires, qui sont beaucoup plus flexibles en terme de modification de forme. Cependant, l’un de leurs inconvénients est leur poids, rappelez vous, les kusudama pliés au club étaient particulièrement volumineux !

Mori, un robot développé par des chercheurs de l’EPFL, est composé de structures triangulaires, et combine les avantages des origamis modulaires et non-modulaires !

Pour en savoir plus

Crédits 
D'après Rus, D. and Tolley, M. Design, fabrication and control of
origami robots. Nature (2018)
- Hawkes, E. et al. Programmable matter by folding. PNAS (2010)
- Lee, J.-Y. et al. Development of a multi- functional softrobot (snumax) and performance in robosoft grand challenge. Front. Robotics AI 3, 63 (2016).
- Miyashita, S. et al. Robotic metamorphosis by origami exoskeletons. Science Robotics (2017).
- National Aeronautics and Space Administration. Space Technology Game Changing Development. PUFFER: Pop- Up Flat Folding Explorer Robots (2016)
- Demaine, E. et al., Folding flat silhouettes and wrapping polyhedral packages: new results in computational origami. Comput. Geom.16,
3–21 (2000)
- Magic Ball, How to Origami
- Belke, C. and Paik, J. Mori: A Modular Origami Robot. Transactions on Mechatronics (2017)
- Pagano, A. et al. A crawling robot driven by multi- stable origami. SmartMater. Struct.(2017)

Texte PC, non relu.

Cette inforigami accompagnait la diffusion du 13/01

6 thoughts on “Roborigami

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