Une peau électronique permet aux humains de ressentir ce que font les robots, et vice versa.

L’intégration de matériaux souples, de capteurs et d’électronique flexible rapproche plus que jamais la « peau » robotique de la réalité.

La peau humaine est souple et extensible et possède des millions de terminaisons nerveuses qui perçoivent la chaleur et le toucher. C’est donc un superbe instrument de détection et de réaction au monde extérieur. Depuis 40 ans, les ingénieurs s’efforcent de reproduire ces capacités dans une version synthétique, mais ces tentatives sont toujours restées en deçà de la polyvalence et de l’adaptabilité de la peau vivante. Aujourd’hui, cependant, de nouvelles recherches ajoutent des capacités et des complexités supplémentaires pour rapprocher ce domaine de son objectif ultime : une peau électronique, ou e-peau, dont les utilisations vont de l’habillage de robots à la fixation de dispositifs portables sur les humains. Un jour, ces dispositifs pourraient même permettre aux humains de contrôler à distance des robots et de « sentir » les signaux qu’ils détectent.

« C’est dans les années 1980 que nous avons commencé à voir des capteurs tactiles que l’on peut appeler une version grossière de la peau », explique Ravinder Dahiya, professeur d’électronique et de nano-ingénierie et chef du groupe Bendable Electronics and Sensing Technologies à l’université de Glasgow. Les premières matrices de capteurs flexibles ont été construites au milieu des années 1980. L’une d’entre elles utilisait du Kapton, un film flexible mais non étirable inventé dans les années 1960, pour soutenir un ensemble de capteurs et de détecteurs infrarouges. Cette « peau » était enroulée autour d’un simple bras robotique, ce qui permettait au membre de « danser » avec une ballerine humaine : si elle se trouvait à moins de 20 centimètres du bras, celui-ci pouvait détecter ses mouvements et y répondre en modifiant spontanément ses propres actions.

Mais ces capacités étaient encore extrêmement rudimentaires, comparées à celles de la peau biologique. Les matériaux et l’électronique disponibles ont progressé au cours des années 2000 pour devenir plus souples, de plus en plus flexibles et, surtout, extensibles. Ces améliorations ont permis aux chercheurs d’intégrer de nouveaux capteurs et de l’électronique dans un système de peau entièrement développé, explique M. Dahiya. Un tel système implique une base en forme de peau qui peut se plier et s’étirer, équipée d’une alimentation électrique, de divers capteurs et de moyens de transmettre les informations des capteurs à un processeur central.

Les capteurs tactiles et de température ont été les premiers à être développés pour ce type de système. Wei Gao, ingénieur biomédical à l’Institut de technologie de Californie, a décidé d’essayer de combiner ces capteurs avec des capteurs capables de détecter des substances chimiques. « Nous voulions créer une peau robotisée dotée d’une capacité de détection physique – en gros, ce que les gens font déjà », explique Wei Gao. « Et en plus, nous voulions lui donner une puissante capacité de détection chimique ». Les travaux de son équipe ont été publiés dans Science Robotics au début du mois.

Le laboratoire de M. Gao a utilisé une imprimante à jet d’encre pour appliquer une encre spécialisée composée de nanomatériaux – des mélanges de particules microscopiques de métaux, de carbone ou d’autres composés – dans une base d’hydrogel souple. En imprimant avec différentes encres à base de nanomatériaux, chacune étant formulée pour détecter un produit chimique spécifique, l’équipe de Gao a mis au point des peaux capables de détecter des explosifs, des agents neurotoxiques tels que ceux utilisés dans la guerre chimique et même des virus tels que le SRAS-CoV-2, responsable du COVID. Les chercheurs ont également intégré des capteurs de pression et de température développés précédemment. La peau électronique obtenue ressemble à un pansement transparent avec des motifs métalliques intégrés à sa surface.

Une peau électronique créée par le laboratoire de l’ingénieur biomédical Wei Gao. Le patch placé sur l’avant-bras d’un humain peut contrôler un bras robotique situé à proximité. Placée sur la main robotique, la peau permet au robot de « sentir » ce qu’il tient. Crédit : Wei Gao/California Institute of Technology

Cette peau n’est pas seulement capable de détecter son environnement. « Nous voulons également nous assurer que l’interaction homme-machine est possible », explique Wei Gao. Pour y parvenir, l’équipe a mis au point un programme d’intelligence artificielle permettant de connecter deux patchs de peau électronique, l’un sur un robot et l’autre sur un humain. Le processus d’impression de la peau étant évolutif, les chercheurs ont pu imprimer un patch de la taille d’un doigt pour une main robotique et un plus grand pour l’avant-bras d’un humain. Cette peau permet au robot de « sentir » la force avec laquelle il saisit un objet et de détecter si l’objet est enduit de produits chimiques spécifiques. Dans le même temps, les humains ont pu contrôler le robot connecté à distance et sentir les signaux électriques émis par le robot s’il détectait ces produits chimiques. Selon les chercheurs, cette interaction pourrait un jour permettre à un robot de remplacer un contrôleur humain, comme un avatar physique, dans des endroits inhospitaliers.

Le projet de Gao a nécessité un dispositif externe pour traiter les données des capteurs de la peau électronique. Plusieurs couches d’encre métallique ont été utilisées – des couches utilisées pour la détection et la stabilité et pour transmettre sans fil les données des capteurs à un ordinateur ou à un téléphone à proximité pour la collecte et le traitement. Mais ce n’est pas le seul moyen pour la peau robotique d’analyser les informations qu’elle capte. D’autres laboratoires travaillent sur des peaux qui trient elles-mêmes les informations, comme le ferait un système nerveux humain.

M. Dahiya s’est inspiré de la peau humaine pour le traitement des données de sa peau électronique, décrit dans deux articles distincts de Science Robotics, également publiés ce mois-ci. En utilisant des blocs de construction électroniques, tels que des transistors et des condensateurs, dit-il, « nous pouvons développer quelque chose qui est analogue à un système nerveux périphérique ». Dans son système, un signal provenant des capteurs doit atteindre un certain seuil avant d’être envoyé à un processeur central. Cela réduit la quantité de données envoyées à un moment donné. « Vous ne pouvez pas envoyer des données illimitées », explique Dahiya. « Si vous voulez envoyer des données volumineuses, alors vous devez avoir un arrangement où les données peuvent faire la queue et peuvent attendre ceux qui sont à l’avant ».

M. Dahiya évoque un capteur tactile mis au point par son groupe, qui utilise de minuscules transistors – des dispositifs qui contrôlent le flux d’électricité vers et depuis d’autres composants électroniques – pour aider la peau robotique à ressentir et à apprendre. Une pression sur les transistors de la peau entraîne une modification du courant électrique, ce qui permet au robot de « sentir » la pression. Avec le temps, il peut adapter ses réponses à la quantité de pression détectée. « Ce sont tous des transistors de type neuronal, qui peuvent apprendre et s’adapter », explique-t-il. La peau apprend l’équivalent robotique de la douleur, ajoute-t-il, de sorte qu’elle ne transmet le signal que lorsqu’elle ressent quelque chose de « douloureux ».

En plus de contrôler les robots à distance ou de leur apprendre à s’adapter à leur environnement, les peaux électroniques pourraient avoir de nombreuses autres applications. « Je pense que de nombreuses possibilités ne concernent pas les robots », déclare Carmel Majidi, ingénieur en mécanique à l’université Carnegie Mellon, dont le laboratoire est spécialisé dans le développement de matériaux souples pour l’électronique compatible avec l’homme. Carmel Majidi imagine les peaux électroniques comme de bons capteurs pour les robots, mais aussi pour des objets plus banals. Elles pourraient devenir la base de pavés tactiles souples et flexibles pour les appareils électroniques interactifs, par exemple, ou pour des vêtements ou des rembourrages sensibles capables de détecter des températures extrêmes et d’autres conditions environnementales. Ces peaux pourraient également être utiles en médecine. « L’idée est de faire de ces peaux robotisées des autocollants que l’on peut poser sur le corps et qui permettent de suivre immédiatement les signes vitaux », explique M. Majidi.

En ce qui concerne les utilisations commerciales, les prototypes actuels de peaux électroniques ont encore des problèmes à résoudre. La durabilité est un point important, note M. Gao. « Il y a beaucoup de développements. Les gens s’en rapprochent beaucoup », dit-il. « Mais l’un des principaux défis pour [les peaux électroniques] est la fiabilité et la robustesse sur le long terme. » Même avec de tels défis, Gao affirme qu’il pourrait y avoir des peaux robotisées dans des environnements industriels dans les cinq prochaines années.

« Le facteur limitant n’est en fait pas tant la peau robotique – ces technologies existent. Je pense qu’il s’agit plutôt de la demande », déclare M. Majidi en ce qui concerne la disponibilité commerciale. « Nous n’avons pas encore de robots dans les foyers des gens ». Mais avec toutes les applications possibles de la peau électronique, il dit qu’il est crucial d’avoir des collaborations avec des parties en dehors du domaine de l’ingénierie. « Les personnes qui ne sont pas des roboticiens ou des ingénieurs ne doivent pas avoir l’impression qu’il y a des obstacles à leur engagement dans ce domaine », dit-il. M. Majidi suggère que les collaborateurs potentiels pourraient être des personnes utilisant un membre prothétique qui pourrait être équipé de capteurs électroniques cutanés ou des personnes souffrant d’une maladie chronique qui pourraient bénéficier d’un suivi continu grâce à un patch portable.

« La robotique douce est tellement interdisciplinaire », dit-il. « Il n’est pas nécessaire d’être diplômé d’un département [d’ingénierie] ou d’un institut de robotique pour apporter des contributions importantes et faire en sorte que celles-ci soient adoptées avec succès dans la vie réelle. »

peau électronique

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