Un grand pas pour les robots humanoïdes, un beau chemin pour le corps humain

Imaginez arriver à la station et réaliser que le prochain métro ne part que dans un quart d’heure : ça vous dit quelque chose ? Et pourquoi ne pas vous laisser transporter par un robot en bicyclette plutôt que d’attendre tout ce temps ? En Allemagne, un projet de recherche visant à développer un robot humanoïde entend bien aboutir, si bien que ce scénario pourrait bientôt devenir réalité.

Roboy 2.0 est un ambitieux projet interdisciplinaire piloté par l’université technique de Munich (TUM) et visant à concevoir un robot doté du plus haut niveau de similitude possible avec un être humain. Roboy est déjà capable de pédaler, de serrer la main et de parler. Il peut également jouer du xylophone — une tâche extrêmement complexe pour un robot, compte tenu du contrôle dynamique nécessaire.

D’ici cet été, Roboy 2.0 pourra servir des glaces derrière un comptoir et en 2020, il saura établir des diagnostics médicaux de base. Tout le code développé dans le cadre de ce projet est entièrement open source et servira de socle pour de futurs développements en robotique, santé, intelligence artificielle et traitement de données audiovisuelles.

« Notre objectif est de construire un robot humanoïde qui reproduise exactement le fonctionnement du corps humain, explique Rafael Hostettler, qui dirige le projet Roboy depuis plus de six ans. Nous voulons que ses mouvements soient les mêmes qu’un humain, qu’il voie, qu’il entende et qu’il interagisse comme nous. »

Pour y parvenir, une équipe de plus de 100 étudiants de l’université technique de Munich travaillent depuis plusieurs années au développement du robot. Rassemblant des experts couvrant un large éventail de disciplines, le projet voit aussi l’implication d’un réseau de scientifiques du monde entier. Parmi ces partenaires, on note l’institut royal de technologie KTH de Stockholm (neuroprothèses), l’université chinoise de Hong Kong (algorithmes de contrôle du robot), l’université d’Oxford (tendons artificiels), et bien sûr l’université technique de Munich consacrée à la robotique, aux systèmes en temps réel et aux méthodes de développement.

Roboy est intégré au projet Human Brain, une initiative phare de l’Union européenne pour favoriser les progrès en matière de neurosciences, d’informatique et de médecine cérébrale. Étant donné le mimétisme biologique de Roboy — conçu comme un système complexe et non linéaire réagissant en fonction des variables de l’environnement —, les neuroscientifiques pourraient parvenir à mieux comprendre les systèmes humains à partir de cet artefact à leur image. Selon le responsable du projet, Roboy pourrait « fournir l’infrastructure nécessaire pour fédérer les différentes composantes de la recherche en neurosciences et, à long terme, produire une compréhension synthétique et complète du cerveau humain ».

Réduire la masse, accroître l’agilité

Reproduire la mécanique du corps humain à un tel degré de détail ne se fait pas sans gros moyens. Les ingénieurs ont recours à des technologies avancées telles que l’impression 3D, la conception générative et d’autres procédés pour reproduire les os, les muscles et les tendons, plutôt que de simplement remplacer les articulations par des moteurs, comme on le voit souvent en construction robotique.

« Roboy utilise ce qu’on appelle des unités musculaires, qui essaient d’imiter le système musculo-squelettique humain, explique Rafael Hostettler. Cela complique considérablement son contrôle, mais constitue une imitation plausible de l’organisation biologique et fournit de précieux enseignements sur la manière de bâtir des robots compatibles avec le corps humain —tels que des exosquelettes—, ainsi que des robots et des pièces robotiques qui s’intègrent aux corps biologiques, tels que des implants et des prothèses. »

La structure, le poids et la composition des éléments correspondant aux structures osseuses jouent un rôle important. La fonctionnalité de conception générative offerte par Autodesk Fusion 360 aide les scientifiques à considérablement réduire le poids des composants essentiels tout en conservant leur robustesse.

« Avec des mains moins lourdes, on réduit les forces que doivent supporter les hanches, et on peut donc également alléger leur poids. Ceci se traduit à son tour par une réduction de masse dans chaque autre composant, ce qui accroit en définitive l’agilité de Roboy », souligne Rafael Hostettler.

L’équipe s’est fixée l’objectif d’apprendre à Roboy à marcher de manière autonome. Or les premiers pas de Roboy dépendent surtout d’une structure stable et légère, et c’est précisément ce que permet la conception générative.

« La conception générative présente typiquement deux principaux avantages, poursuit le directeur du projet. Premièrement, la réduction du poids, qui est d’autant plus essentielle pour les pièces éloignées du centre de gravité comme l’enveloppe de la tête, ou pour les éléments soumis à de nombreuses forces de directions différentes et qui sont généralement plutôt volumineux, comme les hanches. Deuxièmement, la conception générative est indiquée chaque fois que nous pouvons fusionner plusieurs pièces en une seule, et nous continuons d’expérimenter les meilleurs usages de cette approche à cet égard. »

La conception générative est actuellement utilisée pour façonner les hanches. Grâce à des ressources de calcul dans le cloud, en seulement trois jours, l’équipe est parvenue à créer le premier prototype. La conception générative sera en outre utilisée pour la fabrication de l’arrière du crâne. Quant à la colonne vertébrale et aux éléments mobiles de Roboy, ils seront également optimisés à moyen terme.

Impression 3D pour prototypage rapide

Les maquettes de Fusion 360 peuvent être directement utilisées dans des processus d’impression 3D. Les fichiers générés créent sans difficulté, ni étape intermédiaire, des objets imprimés en 3D. Presque toutes les pièces de Roboy 2.0 sont ainsi réalisées par frittage laser et imprimées en 3D avec des matériaux de type plastique.

« Les pièces fraisées conventionnelles nécessitent environ six à huit semaines de fabrication, ce qui représente une éternité dans le domaine du développement agile. Nous créons généralement trois ou quatre nouvelles versions en un même laps de temps », indique Rafael Hostettler.

La liberté géométrique qu’offre l’impression 3D permet à l’équipe de concevoir des composants sans aucune contrainte imposée par les limitations d’un processus de fabrication. Et une production sans machine-outil signifie également des économies de temps et d’argent.

Un corps humain 2.0

Bien que la finalité première de Roboy 2.0 soit tournée vers la recherche et l’innovation, les connaissances acquises durant sa mise au point ont déjà des retombées dans d’autres domaines. Comme le note le responsable du projet : « La nature musculo-squelettique de Roboy en fait un prolongement plausible des recherches sur un modèle de corps humain plus biologique que ce qui est communément utilisé en dehors des neurosciences. »

Dans cette optique, le modèle a apporté une aide majeure au développement de prothèses innovantes. Les neuroscientifiques puisent également dans les résultats obtenus au cours du projet Roboy 2.0 pour améliorer leur compréhension de la coordination des interactions entre les plus de 600 muscles du corps humain.

Et le directeur de conclure : « Roboy fournit le même niveau de complexité que celui auquel vous vous mesureriez pour contrôler un corps biologique. Les résultats auront une validité bien plus forte si nous parvenons à contrôler un robot tel que Roboy plutôt qu’un robot industriel, dont la dynamique est très différente et tellement plus simple que n’importe quel système biologique. »