Avancées dans les robots humanoïdes musculosquelettiques

Les robots humanoïdes musculosquelettiques (MSK) sont conçus pour reproduire la façon dont le corps humain est construit et se déplace. Ces robots imitent les caractéristiques humaines, comme les os, les muscles et les articulations, pour réaliser différentes fonctions. On les étudie pour plein d'utilisations médicales, comme aider les patients à récupérer après des blessures avec des exosquelettes, créer des tissus pour les opérations, et améliorer les implants articulaires.

Un aspect important de ces robots, c'est comment leurs articulations fonctionnent. Beaucoup de robots précédents, comme Atlas, avaient des articulations rigides qui ne bougeaient pas comme celles des humains. Ça rend la création de robots capables de soutenir des mouvements similaires à ceux des humains plus difficile.

#Comment les Robots Imitent l'Action Musculaire

Pour imiter le fonctionnement des muscles, bon nombre de ces robots humanoïdes MSK utilisent des systèmes spéciaux appelés systèmes d'actuation myorobotiques à tension tendineuse. Des exemples de ces robots incluent Roboy, Kenshiro et Eccerobot. Ces systèmes comportent des actionneurs qui peuvent créer une tension semblable à celle des muscles humains, des câbles qui agissent comme des tendons, et une carte de contrôle qui imite comment notre système nerveux perçoit le mouvement.

Ces robots sont construits pour correspondre de près à l'anatomie humaine, ce qui leur permet d'effectuer des mouvements ressemblant à ceux des humains, comme les réflexes et les réponses au poids.

#Pourquoi la Performance des Articulations Est Importante

La capacité de ces robots à appliquer une contrainte sur les tissus de manière précise est cruciale dans les projets liés à l'ingénierie tissulaire. Des études montrent que les tendons sains ne se déforment pas de manière uniforme. Les chercheurs en mécano-biologie, qui étudient comment les cellules réagissent aux forces physiques, ont trouvé que les cellules tendineuses réagissent différemment selon la manière dont elles sont chargées. Ça veut dire que les robots doivent reproduire ces diverses actions avec précision pour être efficaces dans la réparation des tissus.

Bien que certaines études aient essayé de développer des systèmes qui fonctionnent de manière similaire aux mouvements humains, beaucoup d'entre elles n'arrivent pas à atteindre la performance nécessaire pour les tâches d'ingénierie tissulaire.

#Comparaison des Robots et des Humains

Les chercheurs ont cherché à établir à quel point les robots humanoïdes MSK peuvent imiter les mouvements articulaires humains à travers des comparaisons en temps réel avec des participants humains. Cette exploration a impliqué de mesurer à la fois le mouvement et les forces exercées par ces robots lors de tâches spécifiques.

#La Procédure de l’Étude

Dans une étude, les mouvements articulaires d'un robot humanoïde MSK ont été comparés à ceux de 40 participants humains sains. La recherche s'est concentrée sur la façon dont ces sujets ont réalisé des tâches d'abduction (éloigner les bras du corps) et d'adduction (rapprocher les bras du corps).

Tant les humains que le robot ont effectué des tâches à des vitesses plus lentes et plus rapides, avec des angles mesurés de 30° et 90°. L'objectif était de voir dans quelle mesure le robot pouvait reproduire les profils de mouvement et de force des humains.

Des données ont été recueillies dans un laboratoire spécialisé en utilisant une technologie de capture de mouvement avancée pour suivre avec précision les mouvements. Le robot, connu sous le nom de Roboy, a été conçu avec des composants destinés à imiter de près l'articulation de l'épaule humaine.

#Configurations Articulaires du Robot

Roboy avait trois configurations articulaires différentes : une articulation classique à boule et à socket, un implant d'épaule utilisé cliniquement, et une articulation inverse. Ces configurations visaient à évaluer à quel point le robot pouvait simuler efficacement les fonctions articulaires humaines.

Le système robotique utilisait plusieurs actionneurs disposés pour imiter les muscles de la coiffe des rotateurs. Les tendons, représentés par des cordes, étaient connectés à des moteurs et des poulies qui reproduisaient les actions musculaires humaines.

#Mesure des Profils Cinématiques et Cinétiques

Les chercheurs ont utilisé des protocoles spécifiques pour suivre comment le robot et les participants humains se déplaçaient. Ils se concentraient sur des marqueurs placés sur le corps pour analyser les mouvements en détail. Cela a permis aux chercheurs de capturer des données cinématiques, qui impliquent des angles et des vitesses, et des données cinétiques, qui se réfèrent aux forces impliquées pendant le mouvement.

Des données ont été collectées à la fois chez les humains et les robots pour comparer leurs performances lors des tâches.

#Résultats de l'Étude

#Analyse du Mouvement

Au fur et à mesure que l'étude progressait, les chercheurs ont remarqué comment le robot se comportait par rapport à ses homologues humains. La trajectoire de mouvement du robot dans certaines tâches ressemblait de près à celle des humains lors de l'exécution des tâches plus lentes. Cependant, le robot a eu du mal à correspondre aux angles et à la vitesse nécessaires pour les tâches plus rapides.

En examinant les résultats, il s'est avéré que la configuration initiale à boule et à socket n'atteignait pas la même amplitude de mouvement que les participants humains. Cette limitation a indiqué que le robot avait du mal à reproduire efficacement les vitesses de mouvement plus élevées.

#Comparaisons Cinématiques et Cinétiques

Les chercheurs ont enregistré les données cinématiques pour évaluer la vitesse de mouvement et l'amplitude de mouvement. L'accélération moyenne du robot et son pic d'accélération étaient inférieurs à ceux des participants humains. Cette différence a mis en évidence les limitations de la rapidité avec laquelle le robot pouvait bouger ses articulations par rapport aux humains, surtout en essayant d'atteindre un angle de 90°.

Pour les données cinétiques, qui examinaient les forces exercées pendant le mouvement, les performances du robot variaient également. Lors de plusieurs essais, le robot a réussi à générer des magnitudes de force similaires à celles des participants humains en utilisant les configurations à boule et à socket et les implants. Cependant, la configuration de l'épaule inversée a créé des forces beaucoup plus élevées que celles générées par les participants humains.

#Tâches de Mouvement Lent

Dans des tâches à rythme lent, le robot a pu imiter efficacement le mouvement humain lorsqu'il s'agissait de petites mouvements jusqu'à 30°. Comme les tâches nécessitaient seulement de petits mouvements contrôlés, les différences dans le pic d'accélération n'étaient pas aussi cruciales pour cette phase de Réhabilitation.

Cependant, lors des tâches nécessitant des mouvements allant jusqu'à 90°, la configuration à boule et à socket était insuffisante. Elle a eu du mal à reproduire des mouvements proches de ceux des humains, en grande partie à cause de composants manquants, comme la scapula, qui joue un rôle important dans le mouvement de l'épaule.

#Tâches de Mouvement Rapide

Bien que le robot ait bien performé dans des mouvements lents, il a eu du mal à des vitesses plus élevées. La configuration de l'implant était également incapable de suivre les performances humaines lors de tâches plus rapides, mettant en évidence le besoin de meilleure coordination entre les actionneurs.

En revanche, l'articulation de l'épaule inversée a très bien imité les mouvements humains lors des tâches plus rapides, démontrant son potentiel pour simuler plus précisément les performances humaines.

#Profils Cinétiques et Stabilité

Comprendre les forces exercées lors de ces tâches est essentiel pour construire de meilleurs robots. Les configurations à boule et à socket et les implants ont généré des forces comparables à celles des humains. Cependant, l'articulation de l'épaule inversée a produit des forces considérablement plus élevées tout au long du mouvement.

Le principal enseignement est que le robot humanoïde a montré la capacité de reproduire certains mouvements humains ou d'exercer des forces physiologiquement pertinentes, mais a eu du mal à faire les deux en même temps. Cette opposition pose un défi pour des applications dans des domaines comme l'ingénierie tissulaire, qui exigent à la fois des mouvements précis et des forces adéquates.

#Limitations de l'Étude

Bien que l'étude ait fourni des insights précieux, il y avait des limitations. Par exemple, les mesures de force humaines étaient estimées, ce qui a conduit les chercheurs à être prudents lors de l'interprétation des données. De plus, l'étude s'est principalement concentrée sur une population plus jeune, ce qui peut ne pas représenter tous les patients nécessitant une assistance robotique.

L'anatomie du robot était plus simple par rapport à celle de l'épaule humaine, qui comporte plusieurs articulations et muscles travaillant ensemble pour maintenir la stabilité et effectuer des tâches. En conséquence, il ne pouvait pas reproduire tous les mouvements ni supporter des charges efficacement, surtout par rapport aux capacités humaines.

De plus, l'absence d'outils analytiques avancés a limité l'optimisation de la conception du robot. Les recherches futures pourraient bénéficier de tels outils pour améliorer les performances du robot.

Une autre limitation significative était le manque d'une chambre de bioreacteur flexible. L'intégration d'une telle chambre aurait pu aider à créer un environnement plus réaliste pour tester la fonction du robot et la croissance des tissus. Le stress mécanique appliqué aux tissus dans un bioreacteur peut aider à développer des greffes tissulaires plus fonctionnelles.

#Implications des Résultats

Cette étude sert de première étape pour comprendre comment les robots humanoïdes peuvent imiter les mouvements et les forces humains lors de tâches de réhabilitation. Les systèmes de bioreacteur actuels manquent de la capacité à fournir la stimulation mécanique nécessaire pour reproduire précisément les charges humaines.

Utiliser des robots capables d'imiter les mouvements de l'épaule pourrait améliorer les méthodes actuellement utilisées en ingénierie tissulaire. L'objectif est d'améliorer les techniques de réhabilitation en développant un robot humanoïde capable de fournir les bonnes conditions pour la croissance et la guérison des tissus tendineux.

À l'avenir, les chercheurs devraient se concentrer sur l'amélioration du robot pour inclure plus de composants anatomiques, permettant une plus grande amplitude de mouvement et des performances améliorées. Le système robotique devra être affiné pour capturer efficacement à la fois les profils cinématiques et cinétiques des mouvements humains.

Avec des améliorations, ces robots pourraient révolutionner notre approche de la réhabilitation et de l'ingénierie tissulaire en médecine. En s'assurant qu'ils peuvent effectuer des tâches similaires à celles des humains, ils pourraient contribuer à offrir de meilleurs résultats aux patients en cours de récupération après des blessures.