Soutenance de thèse de PERRIER Raphaël
Titre de thèse
Réalisation d'un actionneur résilient inspiré de la structure multi-échelle du muscle strié
Realization of a resilient actuator, bio-inpiring from the muscle multi-scale structure.
Résumé de la thèse
La possibilité pour un système de continuer à fonctionner malgré un dysfonctionnement est primordiale pour la sécurité, la fiabilité et la maintenance de ce système. Pour les actionneurs, ces réflexions sont d'autant plus vraies que peu de solutions existent pour contourner de tels dysfonctionnements. Ainsi, l'étude se penche tout d'abord sur la résilience des actionneurs, sa définition et sa quantification. La définition de la résilience pour les actionneurs est : Faculté d'un actionneur à conserver ses capacités de mouvement lorsqu'il est perturbé ou endommagé. Cette définition a été adoptée après une compilation de différentes définitions de résilience dans divers domaines. Cette définition a ensuite été mise en équation, ce qui permet de quantifier un taux de résilience pour chaque actionneur. Plusieurs résiliences d'actionneurs sont ensuite calculées. On remarque que les résiliences des actionneurs industriels et biomimétiques tels que le vérin hydraulique et le muscle de McKibben sont faibles. À contrario, les résiliences du muscle et du pulvinus sont élevées. Ainsi, on en déduit des grandes particularités qui font la résilience : une structure et une commande multi-échelle.
En s'appuyant sur ces grandes particularités, un actionneur résilient est conçu, en s'inspirant de la structure et de la mécanique du muscle strié, afin de le tester et d'optimiser sa résilience. La maquette utilise des crémaillères pour imiter les filaments d'actine. Pour imiter les têtes de myosine, nous utilisons des servomoteurs et des cames. Cette association permet de reproduire le cycle de contraction musculaire à notre échelle.
La modélisation mécanique de la tête de myosine bioinspirée s'appuie sur une analyse des propriétés électromécaniques des servomoteurs, permettant de simuler le comportement dynamique des têtes de myosine bioinspirées sous différentes charges. Le cycle de fonctionnement des têtes de myosine est reproduit, et les forces et vitesses sont calculées en fonction des charges appliquées. Un modèle dynamique est développé pour simuler le comportement des sarcomères, des myofibres et du muscle complet.
Des essais sur le sarcomère, une myofibre et le muscle bioinspiré sont ensuite menés. Les différentes résiliences sont caractérisées. Ces essais mettent en valeur l'importance de la localisation des dommages sur la résilience. Les résultats expérimentaux sont comparés à des modèles théoriques, montrant une bonne corrélation et validant ainsi l'approche adoptée pour évaluer la résilience.
Thesis resume
The ability of a system to continue functioning despite a damage is crucial for its safety, reliability, and maintenance. For actuators, these considerations are even more relevant as few solutions exist to circumvent such malfunctions. Therefore, the study first focuses on the resilience of actuators, its definition, and quantification. The definition of resilience for actuators is: The faculty of an actuator to maintain its motion capabilities when perturbed or damaged. This definition was adopted after compiling various definitions of resilience from different fields. This definition was then formulated into an equation, allowing for the quantification of a resilience rate for each actuator. Several actuator resiliences are subsequently calculated. It is noted that the resiliences of industrial and biomimetic actuators, such as hydraulic cylinders and McKibben muscles, are low. Conversely, the resiliences of muscles and pulvinus are high. Thus, key characteristics that contribute to resilience are identified: a multi-scale structure and control.
Building upon these key characteristics, a resilient actuator is designed, inspired by the structure and mechanics of striated muscle, to test and optimize its resilience. The model uses racks to mimic actin filaments. To mimic myosin heads, servomotors and cams are employed. This combination allows for the reproduction of the muscle contraction cycle at our scale.
The mechanical modeling of the bioinspired myosin head is based on an analysis of the electromechanical properties of servomotors, enabling the simulation of the dynamic behavior of bioinspired myosin heads under various loads. The operating cycle of the myosin heads is reproduced, and forces and velocities are calculated as a function of the applied loads. A dynamic model is developed to simulate the behavior of sarcomeres, myofibers, and the complete muscle.
Experiments on the sarcomere, a myofiber, and the bioinspired muscle are then conducted. The different resiliences are characterized. These experiments highlight the importance of damage localization on resilience. The experimental results are compared to theoretical models, showing good correlation and thus validating the approach adopted for evaluating resilience.