Robotique molle bio-inspirée pour l'exploration souterraine

Bio-inspired soft robotics for underground exploration

• Auteur / Autrice : Tomoya Nagayama
• Direction : Gioacchino Viggiani, Barbara Mazzolai
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MG - Mécanique, génie civil
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des sols

Méthode des Eléments Discrets

Robotique molle

Interaction sol-racine et sol-ver

Tomographie X et analyse d'images

Soft robotics

Discrete Elements Method

Soil-root and soil-worm interaction

X-ray tomography and image analysis

Soil mechanics

Résumé

La bio-inspiration (s'inspirer de la nature pour développer de l'innovation en science et technologie), en tant que concept général, est tout sauf nouvelle ; pourtant, son application à la robotique est en train d'innover massivement le domaine, par exemple en repensant les mécanismes de mouvement ou de croissance, ou les capacités de détection ou d'actionnement. La complexité du développement de robots bio-inspirés est accrue par la nécessité d'imiter des aptitudes qui sont caractéristiques des systèmes biologiques : être énergétiquement efficace, changer de morphologie, adapter son corps et ses fonctionnalités au cours de la vie dans un environnement en constante évolution. Les racines des plantes et les vers de terre constituent des cas typiques d'organismes vivants capables de se déplacer dans un sol en s'adaptant au milieu, en évitant les obstacles et en suivant les gradients de nutriments (et d'eau pour les racines). Les deux ont été récemment considérés comme des modèles en robotique. L'objectif de ce projet de thèse est double. Dans un premier temps, nous ambitionnons de caractériser les interactions mécaniques entre des organismes vivants (vers de terre et racines des plantes) et le sol afin de comprendre et de décrire leur stratégie de locomotion dans le sol. Une telle étude peut s'avérer très vaste : toutefois, nous nous concentrerons sur certaines des caractéristiques communes partagées par les racines des plantes et les vers de terre qui sont : l'expansion radiale du corps, le mouvement cyclique de la tête/de l'apex (mouvement de circumnutation pour les plantes) dans un plan orthogonal à la direction principale de translation, le rôle des poils et de l'exsudation. L'impact de chacune de ces caractéristiques dans l'interaction mécanique globale de l'organisme avec le sol sera décrit et leur contribution à la mobilité souterraine de la racine ou du ver sera évaluée. Dans un second temps, tout ou partie de ces fonctionnalités (en fonction de leur contribution à la mobilité, mais aussi des contraintes technologiques) seront implémentées dans des mini robots souterrains automoteurs. Enfin, la qualité de la reproduction des interactions mécaniques sol-organisme par de tels robots sera évaluée pour discriminer davantage les caractéristiques bio-inspirées les plus efficaces, afin de converger vers des solutions réalistes pour les systèmes automoteurs dans le sol - systèmes qui ne n'existent pas aujourd'hui.

Bio-inspiration (using phenomena in biology to make innovation in science and technology), as a general concept is all but new; yet, its application to robotics is massively innovating the field, re-thinking, e.g., patterns of movement or growth, or sensing or actuation abilities. The complexity in developing bio-inspired robots is increased by the need of mimicking biological system capabilities in being energetically efficient, in changing their morphology, in adapting their body and functionality in their lifetime in a continuously changing environment. Roots of plants and earth-worms constitute typical cases of living organisms able to move into the soil by adapting to the environment, avoiding obstacles, and following nutrients gradients (and water gradient for roots). They have been recently considered as models in robotics. The objective of this PhD project is twofold. First, we ambition to characterize the mechanical interactions between living organisms (earthworms and plant roots) and soil in order to understand and describe their locomotion strategy in the ground. Although this could be a broad study, we will focus on some of the common features shared by plant roots and earthworms which are: the radial expansion of the body, the cyclic motion of the head/tip (circumnutation motion for plants) in a plane normal to the main direction of translation, the role of hairs and of exudation. The impact of each of these features in the global mechanical interaction of the organism with the ground will be described and their contribution to the underground mobility of the root or worm will be assessed. Secondly, all or some of these features (depending on their contribution to mobility, but also on technological constraints) will be implemented in self-motile underground robots. Then, the quality of the reproduction of the soil-organism mechanical interactions by such robots will be assessed to further discriminate again the most efficient bio-inspired features, in order to converge toward realistic solutions for self-motile systems in ground - systems which do not exist today.