L’industrie s’inspire de la nature avec la bionique

Créé au début des années 90 sous l’impulsion du Dr. Wilfried Stoll, le département de Festo spécialisé dans la bionique développe des solutions concrètes en matière de robotique et d’automatisme en copiant les prouesses d’adaptation du vivant à l’environnement.

La démarche consistant à développer un département bionique au sein de Festo est partie d’une idée simple : puisque l’automatisation industrielle copie déjà la nature en mettant des systèmes de calcul et de contrôle-commande à la place du cerveau ou encore, des équipements électriques et pneumatiques pour produire une force mécanique comme le font les muscles, pourquoi ne pas aller encore plus loin en cherchant d’autres transpositions parmi les innombrables solutions trouvées par les êtres vivants pour résoudre les problèmes rencontrés dans leur environnement.

Les fonctions-types de la technique d’automatisation dans l’industrie sont la préhension, le déplacement et le positionnement d’objets ainsi que la commande et la régulation de processus. Saisir et déplacer, commander, régler et mesurer, telles sont les tâches qui sont résolues automatiquement, simplement et avec une grande efficacité énergétique par les animaux. Quoi de plus naturel que d’observer les phénomènes de la nature pour en apprendre quelque chose ?

C’est à partir de 2006, ce qui a incité Festo à créer un partenariat de recherche, le Bionic Learning Network avec des écoles supérieures et des instituts, des entreprises de développement et des inventeurs privés. Une équipe de responsables composée d’ingénieurs et de designers, de biologistes et d’étudiants, étroitement avec des experts d’autres spécialités plus directement centrées sur l’entreprise. Ce travail d’équipe interdisciplinaire ouvre des perspectives inusitées et suscite des vocations pour renouveler les applications industrielles et revisiter la fabrication de produits en série.

Apprendre de la nature

L’efficacité énergétique, les constructions légères, l’intégration fonctionnelle ou encore la capacité d’apprentissage et de communication... depuis des millions d’années d’évolution, la nature a développé les stratégies d’optimisation les plus diverses pour s’adapter à l’environnement. Et il semble que ces stratégies ou au moins, certaines d’entre-elles soient transposables sous la forme de solutions techniques.

En créant le Bionic Learning Network, Festo s’est fixé l’objectif de faire émerger trois à quatre projets significatifs chaque année. Le département bionique de Festo compte quatre à six collaborateurs permanents dont un ingénieur en informatique, un designer industriel et un technicien spécialisé en biologie qui travaillent en relation directe avec des intervenants extérieurs dont ils coordonnent les recherches et les études.

Un jury composé de cadres de Festo, sélectionne chaque année les projets qui mobiliseront l’énergie du Bionic Learning Network. Parfois l’impulsion vient de l’intérieur de l’entreprise elle-même lorsqu’un problème spécifique a besoin d’être résolu. D’autres fois, l’idée peut venir d’un laboratoire extérieur, d’un groupe de chercheurs universitaires, d’étudiants voire d’un ou de plusieurs individus souhaitant faire aboutir un projet original. Ainsi depuis 2006, environ une quarantaine de développements ont émergé de ces collaborations interdisciplinaires et la bionique a déjà permis à Festo de déposer plus d’une quarantaine de brevets…

La bionique est bien plus qu’un mot artificiel composé des termes « biologie » et « technique ». Elle est à la fois une source d’inspiration et une méthodologie. Dans le processus de développement de nouvelles technologies, elle peut stimuler la créativité des ingénieurs pour les inciter à réfléchir à des solutions auxquelles ils n’auraient pas immédiatement songé. À côté de la recherche libre et créative d’idées, il existe deux méthodes concrètes et structurées de transposition des principes biologiques dans la technique : la stratégie top-down et la stratégie bottom-up.

Dans le cadre de la stratégie topdown, le chercheur se consacre à un problème technique et recherche de manière ciblée une solution inspirée des modèles de la nature. On peut donc résumer cette approche en disant que la stratégie top-down revient à formaliser l’exigence technique pour rechercher la meilleure solution proposée par la nature.

La stratégie bottom-up part du principe rencontré dans la nature pour aller vers son application industrielle. Elle procède donc en sens inverse de la précédente puisque le scientifique va étudier un phénomène naturel pour comprendre ses principes de fonctionnement et les transposer afin d’arriver à leur mise en oeuvre technique.

Des solutions qui arrivent jusqu’en production

Tous les développements issus des travaux du Bionic Learning Network n’ont pas le même statut. Certains projets constituent des étapes intermédiaires pour des développements plus ambitieux. Mais depuis 2010, Festo a connu de tel succès dans ses réalisations que des produits opérationnels ont déjà vu… ou sont en passe de voir le jour. C’est par exemple, vers 2007 que les membres du Bionic Learning Network ont cherché à comprendre l’efficacité du mouvement de la queue d’une raie qui s’est concrétisé dans le projet FinRay Effect. Lorsqu’on appuie sur la nageoire caudale d’une raie, elle ne tend pas à fléchir en s’écartant du point de pression comme on pourrait s’y attendre mais en s’enroulant autour. Partant de cette observation, les membres du Bionic Learning Network en collaboration avec les ingénieurs de Festo, ont modélisé le principe biologique jusqu’à en faire une maquette technique puis, une technologie brevetée qui prend la forme d’un doigt de préhension adaptatif. Après analyse du phénomène naturel – ce qui procède donc d’une approche, bottom-up – les chercheurs en ont déduit le principe technique.

Le doigt adaptatif FinRay se présente sous la forme d’un triangle évidé entièrement articulé. C’est en 2010 qu’en réunissant trois de ces éléments sur une monture ellemême articulée que les ingénieurs de Festo ont créé un dispositif de préhension souple, le FinGripper capable de saisir une multitude d’objets de formes diverses. En 2014, c’est un terminal de préhension robotisé, appelée MultiChoiceGripper qui tire parti de la souplesse du doigt adaptatif FinRay. Il peut combiner différents types de saisie avec la capacité de mouvoir trois à six doigts en fonction des configurations. Et rien n’indique que le doigt adaptatif FinRay ait dit son dernier mot. Ce préhenseur flexible inspiré de la queue des raies, est aujourd’hui opérationnel tant au profit des installations industrielles de Festo que pour d’autres entreprises notamment dans l’agro-alimentaire, l’agriculture et dans toutes les applications où dispositif capable de s’adapter à des formes d’objets variés est nécessaire.

Festo reçoit le German Future Award en 2010

La transposition la plus connue d’un principe naturel dans une application technique par Festo est l’assistant de manipulation bionique. Il s’agit d’un bras dont les capacités en matière de mouvement sont inspirées par la structure et la fonction d’ensemble de la trompe d’un éléphant. En 2010, Festo s’est vu attribué le German Future Award et le prix de 250 000 €qui l’accompagne par le Président de la République Fédérale d’Allemagne pour la mise au point de l’assistant de manipulation bionique capable de déplacer des charges de 1,5 kg alors qu’il pèse luimême sensiblement le même poids.

L’assistant de manipulation bionique réunit différents composants issus de technologies très diverses et la grande majorité de ses éléments sont imprimés en 3D. Le bras manipulateur repose sur une structure composée de soufflets pneumatiques qui lui confère souplesse et légèreté. Le système est commandé par la plateforme d’automatisation CPX secondée par des capteurs SMAT chargés de saisir les parcours et la position de la structure dont la pression pneumatique est réglée via la technique de soupape proportionnelle, propre à Festo. A son extrémité, le manipulateur bionique peut être équipé d’un préhenseur comme le MultiChoiceGripper évoqué plus haut.

En 2012, ce développement a été complété par un programme de reconnaissance d’images et de commande vocale qui permet au système de saisir des objets de manière autonome, sans programmation et sans pilotage manuel. En cas de contact avec un obstacle, le système d’assistance au mouvement rétracte le bras immédiatement, ce qui lui permet de ne présenter aucun danger pour l’homme.

Dans le cadre du développement de l’assistant de manipulation bionique, Festo a construit une version compacte de la trompe. Elle a été installée sur le système d’apprentissage mobile Robotino XT que Festo Didactic, la division qui s’adresse aux secteurs éducatifs, propose pour des projets de recherche dans des universités choisies dans le monde entier. Il s’agit d’une plateforme qui se prête tout spécialement aux développements de commande et de réglage autonomes pour des applications dans le domaine de la robotique de service. Robotino est un système ouvert qui permet un enseignement pratique des techniques telles que l’entraînement et la régulation, les capteurs sans contact, la cinématique, etc.

Les reptiles ont la classe

Les documentaires animaliers montrent souvent au ralenti comment le caméléon projette sa langue vers une proie. Ce que l’on sait moins c’est qu’à l’instant d’atteindre l’insecte visé, le milieu de la langue se rétracte alors que ses bords continuent leur progression vers l’avant. L’appendice lingual du reptile s’adapte ainsi à la taille et à la forme de la proie pour la saisir fermement.

En collaboration avec le Collège d’Oslo et l’Université des sciences appliquées du comté d’Akershus, Festo a présenté l’an passé, le FlexShapeGripper, un préhenseur dont le fonctionnement est directement inspiré celui de la langue d’un caméléon. L’extrémité du FlexShapeGripper est constituée d’une capsule souple en silicone remplie d’eau qui s’enroule autour de l’élément à saisir.

Le dispositif se compose d’un vérin à double action dont l’une des chambres est remplie d’air comprimé tandis que la seconde est remplie d’eau en permanence. Le volume des deux chambres est conçu de telle sorte que la déformation de l’extrémité en silicone est compensée. Le piston, qui sépare les deux chambres est fixé par une fine tige à l’intérieur du bouchon de silicone.

Lors de la saisie, un système met la capsule en silicone du préhenseur en contact avec l’objet. La chambre supérieure est alors vidée et la partie centrale de la capsule de silicone se rétracte. Le bourrelet extérieur qui se forme alors, s’enroule autour de l’objet à saisir quelle que soit sa forme. L’élasticité de la matière permet une adaptation précise à différentes géométries tandis que le haut niveau de friction statique du silicone produit une force de maintien élevée. Le FlexShapeGripper est un préhenseur idéal pour les applications d’assemblage robotisé de pièces de faible taille et de différentes formes quelle que soit la matière utilisée.

Dans un tout autre genre, le gecko arboricole s’est lui aussi remarquablement adapté à son environnement. Il grimpe sans effort sur des surfaces entièrement lisses et peut même se tenir la tête en bas sans consommer beaucoup d’énergie.

Cette performance est due à la présence de lamelles adhésives appelées sétules (setae) qui sont en fait, des réseaux comptant plusieurs milliers de poils par mm². Ces poils sont extrêmement fins, de l’ordre de 200 à 500 nm (10-6 mm). Ils engendrent à l’échelle moléculaire, des interactions électrostatiques avec le support, appelées forces de Van der Waals. Additionnées, ces micro-forces d’adhérence sont si grandes qu’un seul doigt peut soutenir tout le poids de l’animal.

Pour imiter cette structure et concevoir le NanoForceGripper, Festo a eu recours à un film polymère qui présente une très grande densité d’aspérités sur sa surface. Posé sur une surface lisse, le film va y adhérer durablement en additionnant les forces électrostatiques de Van der Waals. Il est ainsi possible de saisir fermement et de déplacer des objets presque sans dépenser d’énergie pour la préhension, ce qui n’est pas le cas avec les dispositifs de ventouse à vide. Pour détacher le film adhésif, il suffit ensuite d’en soulever une extrémité pour le replier et faire céder les points de contact électrostatique, un par un.