Fabrication de robots souples et sensitifs pour la robotique souple interactive : fabrication de capteurs et actionneurs souples

Soft sensitive robots fabrication for interactive soft robotic : soft sensors and actuators manufacturing

• Auteur / Autrice : Brice Parilusyan
• Direction : Marcos Serrano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Technologies d'application médicale, diagnostiques, thérapies et santé publique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Reyssat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Céline Coutrix, Pierre Renaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Actionneurs

Capteurs (technologie)

Robotique molle

Impression 3D

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Impression 3D

Robotique souple

Capteur souple

Actuateur pneumatique souple

Additive manufacturing

3D Printing

Soft robotic

Soft sensors

Soft pneumatic actuators

Résumé

Le domaine de la robotique souple a émergé dans le but de créer une version synthétique des tissus organiques souples pour offrir aux robots les mêmes capacités que les êtres organiques. Les robots, par définition, ont la capacité de percevoir leur environnement et d'interagir avec lui. Pour ce faire, ils ont besoin de capteurs externes, tels que la peau, pour obtenir des données de leur environnement, ainsi que d'actionneurs pour se déplacer. Cependant, l'intégration de capteurs à l'intérieur d'actionneurs souples implique l'utilisation de matériaux conducteurs capables de supporter la déformation mécanique du tissu et de structures complexes faites de cavités et des canaux. La fabrication d'actionneurs souples et sensitifs (SSA), c'est-à-dire d'actionneurs souples dotés de capteurs intégrés, nécessite l'utilisation de plusieurs matériaux aux propriétés différentes. Ajoutée à la complexité de fabrication des actionneurs souples, l'utilisation de plusieurs matériaux pour fabriquer des SSAs constitue un véritable défi. Il existe un besoin crucial de méthodes pour faciliter la fabrication des actionneurs souples tout en augmentant le niveau de complexité de la structure de l'actionneur souple et en intégrant des capacités sensorielles. Cette thèse explore plusieurs processus de fabrication pour faciliter la fabrication et l'utilisation des SSAs. La première technologie explorée est la moulage, une technologie de fabrication traditionnelle utilisée pour façonner des matériaux à l'état liquide, tels que le silicone, et le premier processus de fabrication utilisé pour fabriquer des robots souples. Notre premier objectif est d'explorer le moulage et comment l'utiliser pour créer des répliques précises de la peau organique avec une capacité de détection précise. Nous avons trois intérêts principaux : la qualité de détection du capteur, l'aspect du capteur et sa difficulté de fabrication. La deuxième technologie explorée est l'impression 3D. En explorant le moulage, nous avons identifié les principales difficultés de fabrication des SSA. Par exemple, les cavités et les canaux fins sont des structures avec le taux de réussite le plus faible et la complexité la plus élevée à réaliser avec le moulage. De plus, l'utilisation de plusieurs matériaux avec plusieurs couches pour intégrer des capteurs dans les robots souples implique de mélanger plusieurs méthodes de moulage, telles que la technique de la cire perdue ou le moulage en plusieurs pièces, ce qui accroît la complexité du processus. Nous explorons comment l'impression 3D de matériaux souples peut surmonter ces limitations en imprimant des actionneurs complexes et multi-matériaux avec des capteurs intégrés. La première approche consiste à utiliser les paramètres uniques de l'impression 3D pour intégrer des propriétés spécifiques dans les robots souples. Cette approche nous permet d'incorporer un comportement mécanique dans les robots pneumatiques avec des conceptions simples, améliorant ainsi leurs capacités. Enfin, nous développons une méthode multi-extrusion pour imprimer des capteurs directement à l'intérieur des robots souples. Nous utilisons cette méthode de fabrication pour imprimer des SSA avec des formes libres et des capteurs extensibles intégrés. En résumé, cette thèse contribue à l'exploration et au développement de méthodes de fabrication pour les SSA. Pour répondre à la question de recherche de cette thèse, nous explorons les techniques de fabrication traditionnelles et leur difficulté pour les utilisateurs afin de déterminer ce qui peut être amélioré. À partir de cette exploration, nous définissons une méthode de fabrication multi-matériaux pour fabriquer des robots souples de forme libre avec des capteurs intégrés à l'intérieur.

The soft robotic domain emerged with the intent to create a synthetic version of soft organic tissues to offer robots the same capabilities as organic beings. Robots, by definition, have the ability to perceive their environment and interact with it. To do so, they require external sensors, such as skin, to get data from their environment and actuators to move. However, integrating sensors inside compliant actuators implies using conductive materials that bear the mechanical deformation of the tissue and complex structures with cavities and channels. Manufacturing Soft Sensitive Actuators (SSAs), soft actuators with integrated sensors, induces using several materials with different properties. Added to the manufacturing complexity of soft actuators, using multiple materials to make SSAs is a real challenge. There is a strong need for methods to make soft actuators easy to manufacture while raising the complexity level of the soft actuator structure and integrating sensory capabilities. This thesis explores several manufacturing processes to facilitate the fabrication and use of SSAs. The first technology explored is molding, which is a traditional manufacturing technology used to shape materials in liquid states, such as silicone, and the first fabrication process used to make soft robots. Our first objective is to explore molding and how to use it to create close replicas of organic skin with accurate sensing ability. We have three primary interests: the sensor's sensing quality, the aspect of the sensor, and its fabrication difficulty. The second technology explored is 3D printing. By exploring molding, we identified the main manufacturing difficulties of SSAs. For example, cavities and thin channels are structures with the lowest success rate and highest complexity to make with molding. Furthermore, using multiple materials with multiple layers to integrate sensors into soft robots implies mixing several molding methods, such as lost wax or piece molding, increasing the process complexity. We explore how the 3D printing of soft materials can overcome these limitations by printing complex, multi-material actuators with integrated sensors. The first approach is to use the unique parameters of 3D printing to integrate specific properties into soft robots. This approach allows us to incorporate mechanical behavior into pneumatic robots with simple designs, thus improving their abilities. Finally, we develop a multi-extrusion method to print sensors directly inside soft robots. We use this fabrication method to print SSAs with free-form shapes and integrated stretchable sensors. In summary, this thesis contributes to exploring and developing manufacturing methods for SSAs. To address the research question of this thesis, we explore traditional fabrication techniques and their difficulty for the users to frame what can be improved. From this exploration, we define a multi-materials manufacturing method to make free-form soft robots with integrated sensors inside.