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Les robots au service des hommes

Les exosquelettes (III)

Le concept d'exosquelette est dérivé de la biologie. Alors que les vertébrés ont un endosquelette, une stucture interne rigide et articulée, les invertébrés n'ont pas cette stucture mais disposent d'une carapace ou d'une coquille, ce qu'on appelle un exosquelette. Cette solution très ingénieuse combine la solidité et la protection.

L'exosquelette des invertébrés leur permet de porter des objets pesant jusqu'à 50 fois leur poids tout en évitant de se blesser lors d'une chute. Mais ici s'arrête la comparaison car l'avantage des insectes par exemple est avant tout lié à leur petite taille; le poids de leurs muscles est faible comparé à leur surface. Aussi, même quand un insecte tombe de très haut, en général il ne subit aucune blessure alors qu'un homme meurt généralement des suites des lésions internes et de l'éclatement des organes et même des os.

L'impressionnant exosquelette Caterpillar P5000 "Power loader" du film "Aliens 2" (1986) dont voici une vue de face. Précisons qu'il s'agit d'un pur produit du 7eme art qui n'a jamais été en production. De toute façon, il est bien trop lourd, encombrant et énergivore. Depuis, la technologie a fait des progrès.

Appliquée à l'homme, l'exosquelette se porte sur le corps. Historiquement ce concept est hérité de la guerre. Les soldats ont toujours porté des boucliers et des armures en guise d'exosquelette : les Vikings, les Troyens, les Romains, les Celtes, les chevaliers, les Samuraïs, etc.

Les exosquelettes ont été déclinés dans toutes leurs variantes dans les jeux-vidéos et les dessins animés tel "Madox" et les films de science-fiction : The Ambushers, Star Wars, Aliens 2, Predator, Spaceship Troopers, Iron Man, Stargate, Matrix, District 9, Elysium, etc.

Ce n'est donc pas l'imagination et les applications potentielles qui manquent, mais bien l'argent et la technologie pour concrétiser ces concepts, rendre ces appareillages suffisamment compacts, pratiques et performants.

Notons que si l'exosquelette est dur et résistant, la science-fiction n'a pas hésité à concevoir une variante souple et biomécanique qu'on retrouve par exemple dans l'exosquelette des extraterrestres d' "Independance Day" ou "Avatar".

Pour l'heure, ces exosquelettes aux propriétés biologiques sont un bel effort intellectuel mais qu'il est impossible de concrétiser. Les chercheurs parviennent à peine à synthétiser quelques centimètres carrés de tissus vivants in vitro, ne leur demandons pas de fabriquer tout un uniforme NBC biomécanique !

Fonctions des exosquelettes

De nos jours, la fonction d'un exosquelette est d'assister l'homme grâce à des technologies issues de la robotique. Par extension, un véhicule habité (voiture, sous-marin de poche, avion, etc), une combinaison spatiale et un scaphandre de plongée rigide sont autant de formes d'exosquelettes.

En pratique, comme un robot, un exosquelette doit aider l'homme dans des tâches difficiles, risquées, y compris lui permettre d'intervenir à distance dans des environnements inaccessibles, extrêmes, contaminés ou radioactifs, notamment sur des lieux sinistrés (après une explosion dans une centrale nucléaire ou dans une usine classée Seveso, après un tremblement de terre, etc).

Une autre tâche est d'aider les personnes handicapées ou âgées à se déplacer. Plutôt que de rester alité ou de se déplacer avec difficulté avec une tribune, l'exosquelette offre une aide précieuse à toutes les personnes dont les membres perdent leur motricité. 

A terme, il faudra donc classer les exosquelettes en différentes familles en fonction de la manière dont ils sont construits et/ou de leur destination.

Hardiman

Le premier exosquelette moderne fut construit en 1966 par General Electric. Financé par l'armée américaine, "Hardiman" permettait à un seul homme de soulever une charge de 680 kg. Il devait servir à des fins logistiques sur les porte-avions, notamment pour transporter les tonnes de bombes et de missiles sur les canons et les avions de l'US Navy.

Le projet fut clôturé en 1971 car ce système comprenait 28 joints qui avaient une fâcheuse tendance à devenir instables et incontrôlables au point de menacer la vie de son opérateur. Aussi, pour évité tout risque d'accident, la photo de l'exosquelette Hardiman présentée ci-dessous été prise l'alimenation débranchée.

Hardiman fut le premier exosquelette. Il fut fabriqué par General Electric en 1966 pour l'US Navy.

C'est en 2001 que les projets de fabrication d'exosquelettes ont vraiment vu le jour à l'initiative du DARPA qui proposa de financer les meilleurs projets à concurrence de 50 millions de dollars répartis sur 5 ans dans le cadre du programme "Exoskeletons for Human Performance Augmentation programme".

C'est ainsi que sont apparus toutes une série d'exosquelettes permettant d'augmenter la force de son utilisateur. Des industriels mais également des universités étrangères, notamment japonaises, se sont lancés dans la course.

De manière générale, les exosquelettes permettent de résoudre le problème de la logistique. Une étude de Raytheon estime qu'un seul exosquelette pourrait déplacer 8 tonnes de charge par jour.

Concrètement, dans le domaine militaire, ils permettront aux soldats de transporter des objets lourds et encombrants (container, bombe, etc) sans risquer de se blesser ou devoir faire appel à des grues ou des camions.

En outre, un soldat doit souvent porter des charges qui peuvent dépasser 60 kg, y compris du matériel électronique et des batteries supplémentaires afin d'être opérationnel sur le terrain plusieurs jours de suite.

BLEEX et HULC

Parmi les projets d'exosquelettes militaires citons le prototype BLEEX développé par l'Université de Berkeley en 2004.

Cet exosquelette est basée sur le projet HULC (Human Unbiversal Load Carrier) de l'équipe du Dr Kazerooni de la société Ekso Bionics remontant à 2000. C'est l'un des projets les plus chers avec un investissement d'environ 50 millions de dollars.

Le cahier des charges consistait à proposer à l'armée un système portable permettant aux soldats de transporter 90 kg de matériel de combat sans fatigue durant 8 heures. Le système devait seconder le soldat en l'aidant à transporter les éléments les plus lourds, notamment les batteries de ses appareils électroniques ou des obus.

Le projet fut repris par Lockheed Martin en 2009 qui développa HULC, une version plus légère de l'exosquelette pesant moins de 25 kg que l'armée évualua.

L'objectif était clairement de ne pas réduire l'efficacité du soldat tout en lui permettant de transporter des charges lourdes à travers tous les terrains.

A voir : Les exosquelettes BLEEX - HULC - HAL

Des soldats américains portant l'exosquelette HULC de Lockheed Martin capable de supporter une charge de 90 kg. A droite, ce soldat porte sans difficulté un obus de 155 mm pesant environ 45 kg dont 12.5 kg d'explosif. Documents Lockheed Martin.

C'est la société Protonex qui apporta son expertise en fabriquant des batteries plus légères et à haute capacité au Lithium-polymère (Li-PO) capables de délivrer une puissance de 100 à 1000 watts durant 96 heures que peut durer une opération militaire.

HULC est un système autonome, anthropomorphique et électro-hydraulique alimenté sur batteries. Un ordinateur intégré contrôle les actions du soldat et s'assure que l'exosquelette suit les mouvements de l'opérateur.

Grâce à HULC le soldat se voit alléger artificiellement de plusieurs dizaines de kilos. Il conserve ainsi son autonomie, son agilité et sa souplesse, notamment celle de pouvoir s'accroupir, ramper, faire des contorsions et même de marcher rapidement et sauter des obstacles, des actions qui ne sont plus possibles quand il porte des dizaines de kilos sur le dos.

XOS et XOS2 de Raytheon et Sarcos

Un autre projet militaire supporté par le DARPA est l'exosquelette XOS, développé en 2007 par Raytheon Company et Sarcos. Il sera suivi par XOS2 en 2010.

L'exosquelette XOS2 développé pour l'armée en 2010 par Raytheon Company et Sarcos.

Le projet XOS est intéressant à plus d'un titre. Cet exosquelette vise à augmenter la force de son opérateur, son endurance et lui permettre de soulever des poids qui, sans l'aide de la robotique, nécessiteraient l'intervention de trois hommes ou devraient faire appel à des machines encombrantes.

La première version de XOS coûta 15 millions de dollars. Le système était alimenté par un petit moteur à essence. Afin que le système soit autonome et exploitable sur le théâtre des opérations, son alimentation fut remplacée par des piles à combustible, des batteries au lithium-polymère (Li-PO).

XOS2 tire sa puissance de moteurs électriques qui alimentent des actuateurs hydrauliques. Différens types de capteurs sont placés dans tout le système pour déterminer la position et la force requise. Chaque articulation (joint) est contrôlée par des plusieurs microprocesseurs. Les capteurs envoient leurs signaux aux processeurs par Internet. Grâce à la pression hydraulique, les actuateurs peuvent développer une force de pression d'environ 200 kg par centimètre carré. Sur le terrain, XOS2 permet à un soldat de soulever une charge de 22 kg avec chaque bras.

Sarcos a annoncé qu'ils espéraient produire une version militaire opérationnelle vers 2015. Toutefois le système dépendra toujours d'un câble pour son alimentation hydraulique. La version autonome n'est pas planifiée avant 2020.

De son côté, les chercheurs japonais ne sont pas restés inactifs. Citons l'exosquelette Power Assist Suit développé en 1990, le Muscle Suit développé en 2007 par l'Université de Tokyo, HAL et quantité d'autres projets..

HAL de Cyberdyne

L'exosquelette H.A.L (Hybrid Assistive Limb) est particulièrement intéressant. Il fut développé en 2002 par le Pr. Yoshisuki Sankai de l'Université de Tsukuba en collaboration avec la société Cyberdyne. HAL est aujourd'hui à la version 5.

En mars 2013, HAL a été mis en test dans dix hôpitaux du Japon afin d'assister les personnes ayant des difficultés motrices.

Proposé en location pour quelques milliers de dollars par mois, HAL est également vendu au prix de 4200$. Cyberdyne espère vendre au moins 400 exemplaires de HAL au Japon. Si le succès est au rendez-vous, ils sont prêts à augmenter la production jusqu'à 10000 exemplaires par an.

A voir : Robotic 'Wearable ExoSkeleton Hand', Festo

The Next Iron Man is YOU - Maxod - 01 (Dessin animé)

A gauche, l'exosquelette HAL-5 de Cyberdyne (2002-2013) qui est aujourd'hui utilisé dans dix hôpitaux du Japon. A droite, l'exomain développée par Festo en 2012. Certains de les exosquelettes peuvent être adaptés sur un robot afin de piloter leur homologue à distance. Documents constructeurs.

Certains modèles de dernière génération telle l'exomain de Festo développé en 2012 peut même servir à télécommander un robot articulé à distance. Il peut trouver des applications en chirurgie, dans les laboratoires et dans tous les environnements hostiles où l'homme ne peut pas s'aventurer.

Et les inventions se succèdent.

Que nous réserve l'avenir ? De surprenantes choses !

Pour plus d'informations

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Sur Internet

DARPA Robotics Challenge

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AIST, Kawada Industries

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Ubot (Microrobot)

Center for Medical Simulation (U.Harvard)

Vidéos sur les exosquelettes robotisés

Robotic 'Wearable ExoSkeleton Hand'

The Next Iron Man is YOU

BLEEX, HULC, HAL

ExoHand, Festo

Maxod - 01

Magazine

Planète Robots

Vidéos sur les robots

How Robots Will Change the World, BBC/NHK

Future is Today - Humanoids Robots 2014, NHK

Technology of the Future, M.Kaku,  BBC

Robot Evolution (revue générale des projets)

P3 de Honda

Asimo de Honda

Repliee Q2 (et sur YouTube)

DER2 de Kokoro Androids

Nao d'Aldebaran Robotics

HRP-4C et HRP-2 de AIST

CB2

Hubo

iRobi Q

Films

I, Robot, 20th Century Fox, 2004

IA Trailer, (VF avec critique) Steven Spielberg, 2001

Matrix, Larry et Andy Wachowski, 1999

Robocop, MGM/Orion Films, 1987

D.A.R.Y.L, Paramount Pictures, 1985

Terminator, James Cameron, 1984

Tron, Walt Disney Pictures, 1982

Blade Runner, Ridley Scott, 1982

Six Million Dollar Man, Universal Studios, 1974-78

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