La microbotique est le domaine de la robotique miniature, en particulier des robots mobiles ayant des dimensions caractéristiques inférieures à 1 mm. Le terme peut également être utilisé pour des robots capables de manipuler des composants de taille micrométrique.

L’histoire
Les microbots sont nés de l’apparition du microcontrôleur au cours de la dernière décennie du 20ème siècle et des systèmes mécaniques miniatures sur silicium (MEMS), bien que de nombreux microbots n’utilisent pas le silicium pour des composants mécaniques autres que des capteurs. Les premiers travaux de recherche et de conception de ces petits robots ont été réalisés au début des années 1970 dans le cadre de recherches classifiées (à l’époque) pour des agences de renseignement américaines. Les applications envisagées à cette époque incluaient l’assistance au sauvetage de prisonniers de guerre et les missions d’interception électronique. Les technologies de support de miniaturisation sous-jacentes n’étaient pas encore complètement développées, de sorte que les premiers développements en matière de développement de prototypes n’étaient pas immédiats grâce à cette première série de calculs et de conception. Depuis 2008, les microrobots les plus petits utilisent un actionneur Scratch Drive.

Le développement de connexions sans fil, en particulier Wi-Fi (c’est-à-dire dans les réseaux domotiques), a considérablement accru la capacité de communication des microbots et, par conséquent, leur capacité à se coordonner avec d’autres microbots pour effectuer des tâches plus complexes. En effet, de nombreuses recherches récentes se sont concentrées sur la communication par microbots, notamment un essaim de robots de 1 024 habitants à l’Université de Harvard, qui se présente sous différentes formes; et la fabrication de microbots à SRI International pour le programme « MicroFactory for Macro Products » de la DARPA, capable de construire des structures légères et à haute résistance.

Considérations sur la conception
Bien que le préfixe «micro» ait été utilisé subjectivement pour signifier «petit», la normalisation sur les échelles de longueur évite toute confusion. Ainsi, un nanorobot aurait des dimensions caractéristiques égales ou inférieures à 1 micromètre, ou manipulerait des composants dans la plage de taille comprise entre 1 et 1000 nm. Un microrobot aurait des dimensions caractéristiques inférieures à 1 millimètre, un millirobot aurait des dimensions inférieures à un cm, un minirobot aurait des dimensions inférieures à 10 cm (4 po) et un petit robot aurait des dimensions inférieures à 100 cm (39 po). .

En raison de leur petite taille, les microbots sont potentiellement très bon marché et pourraient être utilisés en grand nombre (robotique en essaim) pour explorer des environnements trop petits ou trop dangereux pour les humains ou les gros robots. On s’attend à ce que les microbots soient utiles dans des applications telles que la recherche de survivants dans des bâtiments effondrés après un tremblement de terre ou la traversée du tube digestif. Ce que les microbots manquent de puissance de frappe ou de puissance de calcul, ils peuvent compenser en utilisant de grands nombres, comme dans des essaims de microbots.

La façon dont les microrobots se déplacent est fonction de leur objectif et de leur taille. Aux dimensions submicroniques, le monde physique exige des moyens de déplacement plutôt bizarres. Le nombre de Reynolds pour les robots aéroportés est proche de l’unité; les forces visqueuses dominent les forces d’inertie, de sorte que « voler » pourrait utiliser la viscosité de l’air, plutôt que le principe de portance de Bernoulli. Les robots circulant dans les fluides peuvent nécessiter une rotation des flagelles, comme la forme mobile d’E. Coli. Sauter est furtif et économe en énergie; cela permet au robot de négocier les surfaces de nombreux terrains. Des calculs pionniers (Solem 1994) ont examiné les comportements possibles en fonction de réalités physiques.

L’un des principaux défis du développement d’un microrobot consiste à obtenir un mouvement utilisant une alimentation très limitée. Les microrobots peuvent utiliser une petite source de batterie légère, telle qu’une pile bouton, ou puiser de l’énergie provenant de l’environnement ambiant sous forme de vibrations ou d’énergie lumineuse. Les microrobots utilisent également des moteurs biologiques comme sources d’énergie, telles que Serratia marcescens (flagellée), afin de tirer le pouvoir chimique du fluide environnant pour actionner le dispositif robotique. Ces biorobots peuvent être directement contrôlés par des stimuli tels que la chimiotaxie ou la galvanotaxie avec plusieurs schémas de contrôle disponibles. Une alternative populaire à une batterie embarquée consiste à alimenter les robots en utilisant une énergie induite de manière externe. Les exemples incluent l’utilisation de champs électromagnétiques, d’ultrasons et de lumière pour activer et contrôler des micro robots.

Taille et définition
Le préfixe « micro » a été beaucoup utilisé pour désigner subjectivement de petits robots, mais de tailles très variables. Un projet de normalisation des noms correspondant aux échelles de taille évite la confusion. Alors:

Un nanorobot a des dimensions égales ou inférieures à 1 micromètre, ou permet de manipuler des composants de taille comprise entre 1 et 1000 nm.
Un micro-robot aurait des dimensions caractéristiques inférieures à 1 millimètre,
un millirobot aurait des dimensions inférieures à un cm (il est mesuré en millimètres),
un minirobot aurait des dimensions inférieures à 10 cm,
un petit robot aurait des dimensions inférieures à 100 cm.

Conditions spécifiques pour le développement de la microrobotique
Le développement des microbots implique une meilleure compréhension et un contrôle de certains phénomènes physiques en jeu à ces échelles, car un micro-robot est soumis à des forces d’une grande importance à l’échelle micrométrique et qui ne perturberaient pas un objet de plus grande taille;

Force de Van der Waals,
électricité statique,
tension superficielle,
souffle d’air,
effets exacerbés et brutaux de la chaleur ou du froid solaires, de la condensation, etc.).

La microrobotique comprend l’étude des processus de fabrication (micro-systèmes ou même nano-systèmes, y compris la micro ou la nanoélectronique) nécessaires aux éléments de très petite taille.

La biomimétrie est une discipline qui inspire la microrobotique,

Micro-mécanique
Il doit permettre au robot de se déplacer et d’interagir avec son environnement, par exemple:

Des haptiques qui permettent au robot d’adhérer à un robot, et éventuellement de saisir des objets, d’assembler un autre microrobot, ou d’être ancré à un substrat;
de micromoteurs permettant aux éléments mobiles de se déplacer selon un ou plusieurs degrés de liberté;
des microgyroscopes ou des dispositifs alternatifs remplissant des fonctions similaires sont recherchés;
modes de déplacement novateurs; Par exemple, comme le font les gerris, les microbots peuvent déjà se déplacer sur l’eau en tirant parti de la tension superficielle de ce « substrat » ​​liquide. Nous essayons également de mimer les ventouses des geckos, afin de permettre à un robot de plusieurs grammes ou dizaines de grammes de marcher sur le plafond ou sur n’importe quel support (programme Geckohair Nanolab de l’Université Carnegy Mellon). Les étudiants travaillent sur des systèmes d’adhérence s’adaptant à différents degrés de pente, permettant ainsi une marche suspendue (au plafond, sous un drap…).

Biomimétique
La nature elle-même est une source d’inspiration pour la robotique, qui a testé de très nombreux mécanismes et comportements, dont une robotique intéressée. Imiter le fonctionnement des réseaux de neurones et des centres nerveux et des générateurs centraux de la moelle épinière des animaux primitifs peut déjà imiter certains mécanismes tels que marcher, nager, courir, ramper. Les groupes musculaires sont remplacés par des servomoteurs, mais ils s’animent en reproduisant les mouvements et le rythme de la marche, de la nage, du rampement ou de la course selon les impulsions distribuées dans les microcircuits informatiques mimant le réseau nerveux.

L’imitation va parfois encore plus loin. par exemple:

Nanolab travaille à l’identification et à la reproduction de molécules colloïdales hautement adhésives synthétisées par les animaux (escargots, limaces, certains coléoptères peuvent adhérer fortement mais temporairement à un support grâce à de telles molécules). Il développe une instrumentation adaptée à la mesure des performances de ce type de colle.
le nanolab a mis au point un petit robot en forme de réservoir muni de chenilles adhésives pouvant monter sur les murs en s’y collant;
Nanolab a également mis au point des microfibres adhésives permettant une adhésion très renforcée sur un plan non horizontal, mais une performance qui est loin de pouvoir se reproduire est la capacité des systèmes vivants à guérir, se nourrir et se reproduire, capacités qui posent également de nouvelles questions éthiques. qui vont au-delà du champ habituel de la bioéthique.
Un robot inspiré par la salamandre évolue facilement d’un environnement aquatique à un environnement terrestre; Un poulet peut continuer à courir par réflexe avec la tête coupée, ce qui montre que la colonne vertébrale et la moelle épinière contiennent les centres moteurs essentiels.
Des robots (salamandres ou serpents) imitent les rampements 8. Sur ce principe, Joseph Ayers (Northeastern University, Boston) a également mis au point des robots imitant les mouvements de la lamproie et du homard.

Risques et limitations
L’un des risques des biomimétiques est que les robots, comme les animaux, sont trop confus avec leurs modèles et chassés par de vrais prédateurs.

Microélectronique
Le microprocesseur permet l’exécution de logiciels donnant une autonomie au robot. Les microprocesseurs ont besoin de microprocesseurs à très faible puissance car ils doivent rester légers et ne peuvent pas emporter avec eux une source d’énergie importante.

Biomécanique
Les chercheurs ont réussi à animer un robot, ou plus précisément à le faire réagir aux obstacles ou à la lumière grâce aux cultures de neurones de rat.

Micro ou nano-capteurs
Ils doivent permettre au robot de se situer (ou de le localiser) dans son environnement;
Il s’agit par exemple de cellules photoélectriques, de capteurs de température, de capteurs de pression, de capteurs d’ondes, d’antennes radio, etc. même une micro-caméra.

Utilisations possibles
On espère qu’ils pourront automatiquement exécuter des tâches dangereuses, douloureuses, répétitives ou impossibles pour l’homme (dans de petits espaces, en vase clos), ou des tâches plus simples mais plus performantes que ne le ferait un être humain.

Les prospectivistes imaginent qu’ils peuvent être utilisés comme

robot industriel et technique (capable par exemple de construire de très petites pièces ou mécanismes, de diagnostiquer ou de réparer l’intérieur d’une machine sans la démonter, d’inspecter une tuyauterie de l’intérieur, etc. On les imagine potentiellement capables de travailler sous vide ou en l’absence d’air, etc.)
robot aspirateur ou ménage plus petit et plus discret que ceux existants
robot ludique (robots apprenant à programmer … Pour le moment, ils n’existent que sous forme de jouets à l’image des robots, mais qui ne sont pas eux-mêmes) ou des robots pédagogiques de type BEAM (acronyme « biologie électronique esthétique et mécanique ») des robots peu intelligents, sans microcontrôleur ni programme intégré d’aucune sorte; Un ressort ou un simple élastique peut être une source d’énergie mécanique pour de petits projets expérimentaux.
Robot médical ou assistance médicale. un micro-robot pourrait peut-être un jour fonctionner dans un organisme vivant.
Des micro-sondes spatiales ou des micro-robots à envoyer dans l’espace pour économiser le volume occupé et la charge à emporter dans l’exploration spatiale

Autonomie
Pour être autonome, le micro-robot doit avoir:

capteurs suffisamment efficaces (micro ou nanocapteurs)
autonomie énergétique nécessitant des micro-batteries efficaces, faible consommation d’énergie ou capacité à trouver et à exploiter une source d’énergie externe (solaire, faisceau hyperfréquence, source d’hydrogène alimentant sa pile à combustible à hydrogène, capacité biomimétique à extraire de l’énergie de la matière organique ..). Une façon d’économiser de l’énergie consiste à s’assurer que les différentes fonctions d’un microrobot ne sont activées que lorsque cela est nécessaire et optimal. Le reste du temps, ils sont mis en attente, ce qui ne l’empêche éventuellement pas de se déplacer de manière passive (porté par le vent, le courant, un véhicule, etc.)
un système d’intelligence embarqué (individuel ou collectif dans le cas de robots à fonctions complémentaires travaillant de concert à la manière des fourmis d’une fourmilière) et / ou une communication permettant des interactions ou un contrôle à distance.
Le programme d’instruction doit être suffisamment sophistiqué pour réagir à la survenance d’événements simples et de changements dans l’environnement (stimuli) et y répondre (individuellement ou collectivement, comme le feraient par exemple les fourmis dans une fourmilière) par des réactions appropriées.

Microbots en littérature et au cinéma
Divers auteurs de science-fiction et de cinéma utilisent dans leurs romans, actualités ou films des micros voire des nanobots, par exemple sous la forme de micro-drones.