Une nouvelle peau artificielle pour donner un peu de sensibilité à nos robots

Afin d’apporter un peu de sensibilité à notre futur Terminator (…), des chercheurs de l’université de Singapour ont créé une peau artificielle (électronique) qui permettra aux robots de détecter la température, la pression et tout mouvement soudain et involontaire d’objets à leur portée.

Image d’entête : A. Schwarzenegger dans le Terminator, un robot très, trop sensible…

La membrane, surnommée peau électronique à codage asynchrone (ACES pour Asynchronously Coded Electronic Skin), surmonte plusieurs problèmes associés aux précédentes tentatives de donner un sens du toucher aux robots et, selon les chercheurs :

Elle devrait leur permettre de travailler en collaboration et naturellement avec les humains pour manipuler des objets dans des environnements vivants non structurés.

Les itérations actuelles de peau des robots sensibles à la pression ne tiennent pas compte des obstacles liés au traitement de l’information. Les capteurs sont interprétés en série, et donc périodiquement, pour créer une carte bidimensionnelle des variations de pression en entrée.

A partir de l’étude : photographie du capteur multimodal flexible, enroulé sur le doigt d’un robot qui saisit une tasse de café chaud. (Lee et col./ Science Robotics)

Cette approche, connue sous le nom d’accès multiple à répartition dans le temps (TDMA pour time division multiple access), entraîne des temps de réponse très longs  (latence), pour la réception du signal. Le problème crée des goulots d’étranglement dans le traitement des données, qui s’aggravent à mesure que de nouveaux capteurs et de nouveaux câbles sont ajoutés au système.

Dans leur étude, Wang Wei Lee et ses collègues rapportent que l’ACES travaille sur un ensemble de différents protocoles techniques. Leur invention utilise une « architecture neuromimétique », qui permet la transmission quasi simultanée d’informations avec des systèmes jusqu’ici modélisés avec plus de 10 000 capteurs interconnectés.

Pour en faire la démonstration de faisabilité, les chercheurs rapportent dans leur étude le fonctionnement d’un réseau de 240 mécanorécepteurs, alimentés par un seul conducteur électrique. Le système fonctionnait avec des latences d’une milliseconde seulement, suffisantes, écrivent-ils, pour résoudre les « fines caractéristiques spatiotemporelles nécessaires à une perception tactile rapide ».

Les capteurs équipés d’un réseau ACES fonctionnent indépendamment, envoyant une série d’impulsions à une unité centrale de traitement en réponse à des stimuli. Les impulsions forment un signal qui permet à un décodeur à l’extrémité réceptrice d’identifier chaque capteur émetteur.

A partir de l’étude : Illustration du système ACES. (A) Les capteurs artificiels, ou récepteurs, sur la peau électronique génèrent des sensations tactiles avec des structures spatio-temporelles (lignes pointillées) qui codifient la séquence de stimulation. (B) Les signaux des impulsions sont combinés et propagés par un seul conducteur (fil). (C) Les décodeurs font correspondre les signaux des impulsions avec les capteurs. (Lee et col./ Science Robotics)

Comme les capteurs agissent tous de manière indépendante ou asynchrone, Lee et ses collègues rapportent que le système est capable de résister à des dommages localisés. La perte d’un capteur ou d’un groupe de capteurs n’affecte pas le fonctionnement du système dans son ensemble.

Cette propriété est considérée comme un avantage à utiliser dans des situations réelles. Dans les applications industrielles, par exemple, le frottement d’un objet manipulé peut entraîner le déchiquetage ou la lacération de la peau, mais pas la perte de sa pleine fonctionnalité.

Le déploiement de l’ACES n’a pas encore été étendu à l’échelle industrielle. Les chercheurs concèdent que le système nécessitera une forte augmentation de la puissance de calcul, comparativement aux modèles TDMA, principalement pour accueillir l’unité de décodage.

Le modèle utilisé pour la démonstration de faisabilité consommait de l’énergie à un rythme se situant à peu près au milieu de la fourchette utilisée par les applications TDMA, mais Lee et ses collègues prédisent que cela va devrait s’améliorer, en précisant :

Il est important de noter que notre consommation d’énergie rapportée devrait être considérée comme une limite supérieure, car ces prototypes basés sur des microcontrôleurs étaient destinés à être une première démonstration de l’ACES utilisant des composants standard.

L’étude publiée dans Science Robotics : A neuro-inspired artificial peripheral nervous system for scalable electronic skins.