Soutenance de thèse de Ilya BRODOLINE

De nos jours, la bio-inspiration est un terme de plus en plus rencontré dans la recherche scientifique et les nouvelles technologies. Formant une méthode de raisonnement à part entière, la bio-inspiration est appliquée aux thématiques très variées, allant de l'architecture à l'informatique. Ce travail de thèse vise à explorer l'une des facettes de la bio-inspiration, qui est la bio-robotique et plus particulièrement, la robotique hexapode. Une multitude de robots hexapodes, inspirés d'insectes, ont été développés au cours des cinquante dernières années. Un phénomène soutenu par la démocratisation de l'impression 3D, qui est de plus en plus utilisée pour la fabrication rapide de prototypes. De plus, de nombreuses études traitant de la locomotion et des techniques de navigation des insectes existent. Elles soulignent les capacités spectaculaires des fourmis, cafards ou phasmes à se déplacer dans des environnements accidentés sur terrain plat et fortement inclinés. Ce sont des capacités désirables pour les robots hexapodes, développées principalement afin de naviguer de manière autonome en milieu extérieur. Cependant, d'un côté, les animaux tels que les fourmis du désert Cataglyphis fortis peuvent parcourir plusieurs centaines de mètres et revenir à leur nid. De l'autre, les robots, équipés de capteurs très performants, sont limités à des distances de parcours de seulement une quinzaine de mètres, malgré leur taille imposante. Ce projet est divisé en trois parties, chacune guidée par une grande question. La première question, consiste à se demander : qu’est-ce qu’un robot bio-inspiré ? Malgré le développement de nombreux robots hexapodes au cours des vingt dernières années, il est important de s'interroger et de redéfinir ce qu'est un robot hexapode bio-inspiré. L'analyse des divers robots à pattes a permis de mettre en évidence des défauts au niveau de la structure mécanique des pattes. Une structure très éloignée de la morphologie animale et limitant les performances des robots. Cette première question mène naturellement à la seconde problématique, qui consiste à se demander : quels sont les règles de construction d'un robot hexapode bio-inspiré ? Un prototype innovant de patte de robot hexapode a donc été construit, équipé de capteurs et actionné. Ce nouveau design de patte, entièrement imprimée en 3D, est inspirée de la morphologie des insectes. Sa conception a deux objectifs : le premier, est de mettre en évidence les questions qui surviennent lors du design de robots bio-inspirés. En effet, de nombreux compromis doivent être faits lors de la construction, il est donc important d'identifier les caractères essentiels de la morphologie animale à mettre en œuvre sur le robot, et ceux dont on peut se passer ; le second objectif du prototype est de trouver une solution technique, inspirée de la nature, alternative aux défauts mécaniques présents chez les hexapodes actuels, permettant de réaliser des marches de longue distance en milieu extérieur. La troisième grande question de la thèse consiste à se demander : comment mesurer les performances d'un robot hexapode ? De nombreux indicateurs existent, permettant de qualifier la marche d'un robot, comme par exemple, le coût du transport. Dans le cas des robots bio-inspirés, on aura tendance à vouloir comparer ces performances à celles des animaux. Cependant, plusieurs contraintes, comme les effets d'échelle, sont à respecter. Afin de mesurer les performances des robots et de les mettre en relation avec leurs homologues animales, nous avons construit un banc de test innovant au laboratoire, inspiré des expérimentations réalisées sur les insectes. En plus des observations sur la cinématique et l'énergétique de marche d'un robot hexapode conventionnel, ce banc de test a permis de proposer de nouvelles métriques, et par conséquent, de mieux comprendre les limites de la robotique bio-inspirée actuelle pour discuter des enjeux de la prochaine génération de robots hexapodes.

Nowadays, bio-inspiration is a term more and more encountered in scientific research and new technologies. Forming a method of reasoning on its own, bio-inspiration is applied to a wide range of subjects, from architecture to computer science. This thesis aims to explore one of the facets of bio-inspiration, which is bio-robotics, and more specifically, hexapod robotics. A multitude of hexapod robots, inspired by insects, have been developed over the last fifty years. A phenomenon supported by the democratization of 3D printing, which is increasingly used for fast prototyping. In addition, many studies dealing with insect locomotion and navigation techniques exist. They underline the spectacular abilities of ants, cockroaches or stick insects to move in rough environments on flat and steep terrains. These are desirable capabilities for hexapod robots, developed primarily to navigate autonomously in outdoor environments. However, on the one hand, animals such as the desert ants Cataglyphis fortis can travel several hundred meters and return to their nest. On the other hand, robots, equipped with very precise sensors, are limited to distances of only fifteen meters, despite their imposing size. This observation leads to the main objective of this thesis, which is the construction of a new hexapod robot, able to navigate over long distances (several hundred meters). This project is divided into three parts, each guided by a major question. The first question is: what is a bio-inspired robot? Despite the development of many hexapod robots over the last twenty years, it is important to question and redefine what a bio-inspired hexapod robot is. The analysis of various legged robots has allowed to highlight defects in the mechanical structure of the legs. A structure very far from the animal morphology and limiting the performances of the robots. This first question naturally leads to the second one, which is to ask: what are the rules for building a bio-inspired hexapod robot? An innovative prototype of a hexapod robot leg has been built, equipped with sensors and actuated. This new leg design, entirely 3D printed, is inspired by the morphology of insects. Its design has two objectives: the first is to highlight the issues that arise when designing bio-inspired robots. Indeed, many compromises have to be made during the construction, so it is important to identify the essential characteristics of the animal morphology to be implemented on the robot, and those that can be neglected; the second objective of the prototype is to find a technical solution, inspired by nature, alternative to the mechanical defects present in current hexapods, allowing to carry out long-distance walks in an outdoor environment. The third major question of the thesis is: how to measure the performance of a hexapod robot? Many indicators exist to qualify the performance of a robot, such as the cost of transportation. In the case of bio-inspired robots, we will tend to compare these performance to those of animals. However, several constraints, such as scale factors, must be respected. In order to measure the performance of the robots and to compare them with their animal counterparts, we have built an innovative test bench in the laboratory, inspired by the experiments performed on insects. In addition to observations on the walk kinematics and energetics of a conventional hexapod robot, this test bench allowed us to propose new metrics, and consequently, to better understand the limits of the current bio-inspired robotics to discuss the challenges of the next generation hexapod robots.