Une nouvelle peau robotique créée par des scientifiques chinois permet aux robots humanoïdes de ressentir la douleur et de réagir instantanément, en imitant la façon dont le système nerveux traite le toucher

Une nouvelle peau robotique créée par des scientifiques chinois permet aux robots humanoïdes de ressentir la douleur et de réagir instantanément, en imitant la façon dont notre système nerveux traite le toucher

Une équipe de recherche chinoise a mis au point une nouvelle peau artificielle pour robots humanoïdes qui imite la façon dont notre système nerveux traite le toucher. Baptisé « peau électronique robotique neuromorphique » ou NRE-skin, ce revêtement synthétique convertit la pression en signaux électriques qui reproduisent les impulsions nerveuses biologiques. Il permet ainsi aux robots de détecter les points de contact, de ressentir la douleur et de réagir instantanément. Des fonctions de diagnostic intégrées permettent également au système de détecter les défaillances des capteurs et de faciliter le remplacement rapide des segments de peau grâce à des modules magnétiques encliquetables. À mesure que les robots deviennent de plus en plus sophistiqués, ces systèmes sensoriels à faible consommation d'énergie communiquant directement avec les logiciels de contrôle de l'intelligence artificielle (IA) offrent des perspectives prometteuses.

Cette avancée chinoise s'inscrit dans une série de progrès récents dans le domaine de la robotique. Des travaux antérieurs menés en 2022 au California Institute of Technology ont notamment permis de créer une peau artificielle qui confère aux robots un sens du toucher similaire à celui des êtres humains. Ce système a donné aux robots la capacité de détecter la température, la pression, ainsi que certains agents chimiques, simplement en touchant les objets.

Publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), les travaux des scientifiques chinois montrent comment ils ont créé une peau artificielle pour robots qui imite le traitement du toucher par notre système nerveux. À la différence des capteurs traditionnels, ce revêtement synthétique utilise des impulsions électriques semblables à des signaux nerveux pour permettre aux machines de détecter la pression, de localiser précisément les dommages et de réagir automatiquement, un peu comme lorsque l'on retire la main d'une cuisinière chaude.

Cette technologie relève un défi qui distingue les systèmes biologiques des systèmes mécaniques. Notre corps traite en permanence des flux chaotiques d'activité neuronale, soit des milliers d'impulsions électriques qui circulent entre les neurones chaque seconde. La plupart des ingénieurs préfèrent des flux de données propres et organisés. Cette équipe a adopté une approche différente.


Leur revêtement robotique se compose premièrement d'un matériau polymère flexible dans lequel sont intégrés des capteurs de pression reliés par des polymères conducteurs. Ces capteurs génèrent des impulsions électriques lorsqu'ils sont pressés ou touchés. Les impulsions transmettent des informations selon quatre méthodes distinctes : la forme, l'amplitude, la durée et la fréquence de l'impulsion. La biologie s'appuie principalement sur la fréquence pour transmettre les données d'intensité, de sorte que les niveaux de pression déterminent la vitesse à laquelle les capteurs artificiels se déclenchent. Les trois autres paramètres fonctionnent ensemble comme un code-barres, identifiant le capteur spécifique qui a généré chaque lecture.

Chaque capteur émet régulièrement un signal de « vérification d'état ». L'absence de signal indique un problème matériel, ce qui permet au système d'identifier les composants défectueux sans inspection externe.

La couche de traitement suivante interprète les pics de signaux entrants afin de déterminer l'intensité de la pression et les points d'origine. Cette étape effectue une analyse préliminaire avant de transmettre les informations aux systèmes de contrôle supérieurs. Les chercheurs ont programmé un seuil de douleur basé sur des mesures de la sensibilité de la peau humaine. Lorsque les signaux accumulés provenant des capteurs individuels dépassent cette limite, le système déclenche une réponse à la douleur.

Cette architecture permet des réactions automatiques de base sans impliquer les processeurs principaux. Un bras robotique recouvert de cette peau se détournera brusquement d'une pression excessive. L'équipe a également démontré des réponses émotionnelles : un visage robotique a changé d'expression en fonction de l'intensité du toucher enregistrée par des capteurs situés sur un bras attaché.

La conception met l'accent sur la facilité d'entretien. Les segments de peau s'emboîtent à l'aide de connexions magnétiques qui établissent automatiquement des circuits électriques. Chaque segment transmet un code d'identification unique. Lorsque le système détecte un dommage, les opérateurs n'ont qu'à retirer la section défectueuse et à installer une pièce de rechange. Le logiciel de contrôle met à jour sa carte spatiale avec le numéro d'identification du nouveau segment.

Les chercheurs qualifient leur création de « peau électronique robotique neuromorphique », ou NRE-skin. Ce terme nécessite quelques éclaircissements. Une véritable technologie neuromorphique reproduirait directement les mécanismes du système nerveux. Cette peau s'inspire de la biologie plutôt que de la copier à l'identique.

Prenons l'exemple du suivi de position. Les systèmes nerveux biologiques maintiennent des cartes corporelles reliant les entrées sensorielles à des emplacements spécifiques. Le cerveau n'encode pas la position dans les impulsions électriques elles-mêmes, il s'appuie sur les neurones qui s'activent et leurs connexions au sein de la carte. La peau NRE intègre les données de localisation directement dans les caractéristiques des impulsions, une solution purement technique.

Il existe actuellement certaines limites. Le système ne détecte que la pression. La peau réelle réagit aux changements de température, aux irritants chimiques, aux vibrations et à de nombreux autres stimuli. L'ajout de ces capacités nécessiterait des canaux de traitement parallèles pour éviter les interférences entre les signaux. Chaque nouveau type de sensorialité aurait besoin de sa propre voie de transmission et de son propre schéma de codage.


Malgré ces contraintes, la recherche ouvre de nouvelles perspectives. Les processeurs neuromorphiques font fonctionner des réseaux neuronaux avec une efficacité énergétique exceptionnelle par rapport aux puces traditionnelles. Ces processeurs traitent les signaux de pointe de manière native, créant ainsi une compatibilité parfaite avec la peau artificielle. À mesure que les robots deviennent plus sophistiqués, les systèmes sensoriels à faible consommation d'énergie qui communiquent directement avec les logiciels de contrôle de l'IA offrent des avantages évidents.

L'équipe a résolu plusieurs défis techniques grâce à l'expérimentation. Elle a appliqué des niveaux de pression provoquant des douleurs chez les sujets humains, mesuré les fréquences de pointe résultantes à partir de ses capteurs et défini ces valeurs comme seuils de réponse. Les comportements plus complexes dépendent de la manière dont les programmeurs configurent les principaux systèmes de contrôle. La peau peut signaler des dommages à des endroits spécifiques, mais ce sont les systèmes de niveau supérieur qui déterminent les réponses appropriées, qu'il s'agisse de demander une maintenance, d'ajuster les schémas de mouvement ou de poursuivre le fonctionnement.

Cette approche fait le lien entre les principes biologiques et l'ingénierie pratique. Au lieu d'obliger les robots à interpréter les données des capteurs conventionnels, la peau parle un langage compatible avec le matériel informatique inspiré du cerveau. Cette compatibilité pourrait s'avérer importante à mesure que la robotique évolue vers des conceptions plus sophistiquées et plus économes en énergie, qui doivent traiter en continu les informations sensorielles sans épuiser les batteries.

La technologie est encore en cours de développement, mais son architecture modulaire et sa conception facile à réparer laissent entrevoir des possibilités d'application réalistes. Les industries qui nécessitent la manipulation d'objets délicats ou une interaction homme-robot sécurisée pourraient tirer profit de machines capables de percevoir le toucher avec une sensibilité proche de celle des systèmes biologiques.

Cette avancée intervient alors que la recherche en robotique sensorielle progresse rapidement en Chine. En 2024, des chercheurs de l'université Tsinghua ont présenté une peau électronique 3D capable de reproduire avec précision le sens du toucher humain en détectant trois signaux mécaniques : la pression, le frottement et la déformation. Le professeur Zhang Yihui, qui a dirigé cette recherche, explique que la peau artificielle peut être installée sur les extrémités des robots médicaux afin de permettre un diagnostic et un traitement précoces, ou appliquée comme un pansement sur la peau humaine pour surveiller en temps réel des données de santé telles que le taux d'oxygène dans le sang et le rythme cardiaque.

Source : Article scientifique publié dans PNAS

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