Ce système nerveux basé sur la lumière aide les robots à  » sentir « 

Si vous roulez des yeux, ce n’est pas vraiment un exploit épique pour un humain. Grâce au câblage complexe entre notre cerveau et les millions de capteurs disséminés sur et à l’intérieur de notre peau, nous savons exactement où est notre main dans l’espace et ce qu’elle touche sans avoir besoin d’une confirmation visuelle. Mais ce sens combiné de l’intérieur et de l’extérieur est complètement perdu pour les robots, qui s’appuient généralement sur la vision par ordinateur ou sur des capteurs de surface pour suivre leurs mouvements et leur interaction avec le monde extérieur. Ce n’est pas toujours une stratégie gagnante.

Et si, à la place, on pouvait donner aux robots un système nerveux artificiel ?

Ce mois-ci, une équipe dirigée par le Dr Rob Shepard, de l’Université Cornell, l’a fait avec un sérieux coup de théâtre. Plutôt que d’imiter les signaux électriques de notre système nerveux, son équipe s’est tournée vers la lumière. En incorporant des fibres optiques à l’intérieur d’un matériau étirable imprimé en 3D, l’équipe a mis au point une « dentelle optique » qui peut détecter des changements de pression inférieurs à une fraction de livre et localiser l’emplacement à un point situé à la moitié de la largeur d’une petite aiguille.

L’invention n’est pas seulement une peau artificielle. Au lieu de cela, les fibres délicates peuvent être distribuées à la fois à l’intérieur d’un robot et sur sa surface, ce qui lui donne à la fois un sens du toucher tactile et, surtout, une idée de la position de son propre corps dans l’espace. La dentelle optique n’est pas un revêtement superficiel de capteurs mécaniques ; c’est une plate-forme entière qui peut finalement doter les robots de réseaux nerveux dans tout le corps.

Finalement, les ingénieurs espèrent utiliser ce matériau charnu et lavable pour recouvrir l’intérieur métallique froid et tranchant des robots actuels, transformant ainsi C-3PO en une espèce d’hôte humain de Westworld. Les robots avec un sens  » corporel  » pourraient agir comme de meilleurs soignants pour les personnes âgées, dit Shepard, parce qu’ils peuvent aider les personnes fragiles sans leur faire des bleus par inadvertance ou leur faire d’autres blessures. Les résultats ont été publiés dans Science Robotics.

Un mariage non conventionnel

La dentelle optique est particulièrement créative car elle marie deux idées contrastées : l’une d’inspiration biologique, l’autre totalement étrangère.

L’idée générale de la dentelle optique est basée sur le règne animal. Par la vue, l’ouïe, l’odorat, le goût, le toucher et d’autres sens, nous sommes capables d’interpréter le monde extérieur – ce que les scientifiques appellent exteroception. Grâce à notre système nerveux, nous effectuons ces calculs inconsciemment, ce qui nous permet de « percevoir » constamment ce qui se passe autour de nous.

Notre autre perception est purement interne. La proprioception (désolé, ce n’est pas ce qu’on appelle l' »inception », même si elle devrait être) est de savoir où se trouvent les parties de notre corps dans l’espace sans avoir à les regarder, ce qui nous permet d’effectuer des tâches complexes en aveugle. Bien que moins intuitive que l’exteroception, la proprioception repose aussi sur les étirements et autres déformations des muscles, des tendons et des récepteurs sous la peau, qui génèrent des courants électriques qui s’injectent dans le cerveau pour une meilleure interprétation.

En d’autres termes, en théorie, il est possible de recréer les deux perceptions avec un seul système d’information.

C’est là que le facteur extraterrestre entre en jeu. Plutôt que d’utiliser des propriétés électriques, l’équipe s’est tournée vers la lumière comme support de données. Ils avaient de bonnes raisons. « Par rapport à l’électricité, la lumière transporte l’information plus rapidement et avec des densités de données plus élevées « , explique l’équipe. La lumière peut également transmettre simultanément dans plusieurs directions et est moins sensible aux interférences électromagnétiques. Bien que les systèmes nerveux optiques n’existent pas dans le monde biologique, l’équipe a décidé d’améliorer Mère Nature et de lui donner une chance.

Dentelle optique

La construction commence par la réalisation d’une « gaine » pour les fibres optiques nerveuses. L’équipe a d’abord utilisé un polyuréthane élastique – un matériau synthétique utilisé dans le rembourrage en mousse, par exemple – pour créer une structure en treillis remplie de grands pores, un peu comme une croûte à tarte en treillis. Grâce à l’impression 3D rapide et haute résolution, l’échafaudage peut avoir des rigidités différentes de haut en bas. Pour augmenter la sensibilité au monde extérieur, l’équipe a rendu le sommet du treillis souple et flexible, afin de mieux transférer la force aux capteurs mécaniques. En revanche, les régions « plus profondes » ont mieux tenu leur structure et l’ont maintenue sous pression.

Maintenant, la partie amusante. L’équipe a ensuite enfilé des « guides de lumière » extensibles dans l’échafaudage. Ces fibres transmettent des photons et sont éclairées par une lumière LED bleue. L’un, le guide optique d’entrée, traversait horizontalement la partie supérieure souple de l’échafaudage. D’autres couraient perpendiculairement à l’entrée en forme de « U », allant de régions plus superficielles à des régions plus profondes. Ce sont les guides de sortie. L’architecture ressemble vaguement au câblage de notre peau et de notre chair.

Normalement, les guides de sortie sont séparés de l’entrée par un petit entrefer. Lorsqu’on appuie dessus, la fibre optique d’entrée se déforme légèrement et, si la pression est suffisamment élevée, elle entre en contact avec l’un des guides de sortie. La lumière de la fibre d’entrée « fuit » vers la fibre de sortie, de sorte qu’elle s’allume plus la pression est forte, plus la sortie est lumineuse.

« Lorsque la structure se déforme, vous avez un contact entre la ligne d’entrée et les lignes de sortie, et la lumière saute dans ces boucles de sortie de la structure, de sorte que vous pouvez savoir où le contact a lieu, » a déclaré l’auteur de l’étude Patricia Xu. « L’intensité de ceci détermine l’intensité de la déformation elle-même. »

Vous pouvez voir plus d’innovations concernant la bio-impression d’organes ici.

Double perception

Comme preuve de concept pour la proprioception, l’équipe a réalisé une dentelle cylindrique avec un canal d’entrée et 12 canaux de sortie. Ils ont fait varier la rigidité de l’échafaudage le long du cylindre et, en appuyant à différents endroits, ils ont pu calculer à quel point chaque pièce était étirée et déformée, ce qui est un signe précurseur important pour savoir où les différentes régions de la structure se déplacent dans l’espace. C’est une sorte de proprioception très rudimentaire, mais qui deviendra plus sophistiquée avec l’augmentation du nombre de mécanosenseurs stratégiquement placés.

Le test d’exteroception était beaucoup plus étrange. Ici, l’équipe a conçu une autre dentelle optique avec 15 canaux de sortie et l’a transformée en un piano souple. Un microcontrôleur Arduino traduit les signaux lumineux de sortie en sons en fonction de la position de chaque touche. Plus la pression est forte, plus le volume est élevé. Bien qu’il ne s’agisse pas d’un chef-d’œuvre musical, la démo a fait ses preuves : la dentelle optique indiquait fidèlement la force et l’emplacement de chaque contact.

Un robot plus efficace

Bien que remarquablement nouvelle, la dentelle optique n’est pas encore prête pour le prime time. L’un des problèmes est l’extensibilité : en raison de la perte de lumière, le matériau est limité à une certaine taille. Cependant, plutôt que de recouvrir un robot entier, il peut être utile d’ajouter de la dentelle optique aux parties du corps où la perception est critique – par exemple, le bout des doigts et les mains.

L’équipe voit beaucoup de potentiel pour continuer à développer la chair artificielle. Selon les besoins particuliers, les guides de lumière et l’échafaudage peuvent être modifiés pour la sensibilité, la résolution spatiale et la précision. De multiples fibres optiques qui mesurent pour différents aspects – pression, douleur, température – peuvent potentiellement être intégrées dans la même région, donnant aux robots une multitude de sens.

De cette façon, nous espérons réduire le nombre d’appareils électroniques et combiner les signaux de plusieurs capteurs sans perdre d’informations, selon les auteurs. En s’inspirant des réseaux biologiques, il peut même être possible d’utiliser différentes entrées à travers un lacet optique pour contrôler le comportement du robot et fermer la boucle de la sensation à l’action.

Via Singularity Hub

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