Une avancée robotique qui imite l’efficacité de la marche humaine

résumé: Les chercheurs ont réalisé une avancée majeure en robotique en reproduisant la marche à vitesse variable de type humain à l’aide d’un modèle musculo-squelettique. Ce modèle, guidé par une méthode de contrôle réflexe similaire à celle du système nerveux humain, fait progresser notre compréhension du mouvement humain et établit de nouvelles normes pour la technologie robotique.

L’étude a utilisé un algorithme innovant pour améliorer l’efficacité énergétique à différentes vitesses de marche. Cette avancée ouvre la voie à de futures innovations en matière de robots bipèdes, de prothèses et d’exosquelettes motorisés.

Faits marquants:

1. L’équipe de l’Université du Tohoku a réussi à reproduire la mécanique de la marche humaine dans un modèle robotique, reflétant la complexité des systèmes musculo-squelettique et nerveux humains.
2. Un algorithme avancé est développé pour améliorer l’efficacité énergétique, essentielle pour reproduire la marche naturelle à vitesse variable des humains.
3. Cette recherche recèle un énorme potentiel de progrès dans le domaine des robots bipèdes, des prothèses et des exosquelettes motorisés, améliorant ainsi la mobilité quotidienne et les solutions robotiques.

source: Université du Tohoku

Nous n'y pensons généralement pas en le faisant, mais marcher est une tâche complexe. Les os, les articulations, les muscles, les tendons, les ligaments et autres tissus conjonctifs (c'est-à-dire le système musculo-squelettique), contrôlés par notre système nerveux, doivent bouger en coordination et réagir aux changements ou perturbations inattendus à des vitesses variables et de manière très efficace. Reproduire cela dans les technologies robotiques n’est pas une mince affaire.

Aujourd'hui, un groupe de recherche de la Graduate School of Engineering de l'Université de Tohoku a reproduit la marche à vitesse variable de type humain à l'aide d'un modèle musculo-squelettique, guidé par une méthode de contrôle réflexe qui reflète le système nerveux humain. Cette percée en biomécanique et en robotique établit une nouvelle norme pour la compréhension du mouvement humain et ouvre la voie à des technologies robotiques innovantes.

Les détails de leur étude ont été publiés dans la revue Biologie computationnelle PLoS Le 19 janvier 2024.

« Notre étude a abordé le défi complexe de reproduire une marche efficace à différentes vitesses – une pierre angulaire du mécanisme de la marche humaine », explique le professeur agrégé Dai Aoaki, co-auteur de l'étude avec Shunsuke Koseki et le professeur Mitsuhiro Hayashibe.

« Ces idées sont essentielles pour repousser les limites de la compréhension du mouvement humain, de l’adaptation et de l’efficacité. »

Cette réussite est due à un algorithme innovant. L’algorithme a évolué au-delà de la méthode traditionnelle des moindres carrés et a contribué à concevoir un modèle de circuit neuronal amélioré pour atteindre l’efficacité énergétique à différentes vitesses de marche.

Une analyse approfondie de ces circuits neuronaux, en particulier ceux contrôlant les muscles lors de la phase de balancement des jambes, a révélé des éléments importants de stratégies de marche économes en énergie. Ces découvertes font progresser notre compréhension des mécanismes complexes des réseaux neuronaux qui soutiennent la démarche humaine et son efficacité.

Awaki souligne que les connaissances révélées dans l’étude contribueront à jeter les bases des futurs progrès technologiques.

« La simulation réussie de la marche à vitesse variable dans un modèle musculo-squelettique, combinée à des circuits neuronaux sophistiqués, représente une avancée cruciale dans l'intégration des neurosciences, de la biomécanique et de la robotique. Elle révolutionnera la conception et le développement de robots bipèdes hautes performances, avancés des prothèses et des exosquelettes avancés alimentés.

De tels développements peuvent améliorer les solutions de mobilité pour les personnes handicapées et faire progresser les technologies robotiques utilisées dans la vie quotidienne.

En regardant vers l’avenir, Awaki et son équipe espèrent améliorer encore le cadre de contrôle réflexe afin de recréer une gamme plus large de vitesses et de mouvements de marche humaine. Ils prévoient également d’appliquer les connaissances et les algorithmes de l’étude pour créer des prothèses, des combinaisons motorisées et des robots bipèdes plus adaptatifs et plus économes en énergie. Cela implique d'intégrer des circuits neuronaux spécifiques dans ces applications pour améliorer leur fonctionnalité et le naturel du mouvement.

A propos de cette actualité de la recherche en robotique

auteur: Relations publiques
source: Université du Tohoku
communication: Relations publiques – Université du Tohoku
image: Image créditée à Neuroscience News

Recherche originale : Accès libre.
« Identifier les facteurs clés pour un contrôle économe en énergie de la marche sur une large gamme de vitesses dans les systèmes musculo-squelettiques basés sur les réflexes« Par Dai Aoaki et al. Biologie computationnelle PLOS

un résumé

Identifier les facteurs clés pour un contrôle économe en énergie de la marche sur une large gamme de vitesses dans les systèmes musculo-squelettiques basés sur les réflexes

Les humains peuvent générer et maintenir une large gamme de vitesses de marche tout en améliorant leur efficacité énergétique. Comprendre les mécanismes complexes qui régissent la marche humaine contribuera aux applications techniques telles que les robots bipèdes économes en énergie et les dispositifs d'assistance à la marche. Les mécanismes de contrôle basés sur les réflexes, qui génèrent des schémas moteurs en réponse à un retour sensoriel, se sont révélés prometteurs pour générer une démarche semblable à celle de l'humain dans les modèles musculo-squelettiques.

Cependant, la régulation précise de la vitesse reste un défi majeur. Cette limitation rend difficile l’identification des circuits réflexes essentiels à une marche économe en énergie. Pour explorer le mécanisme de contrôle réflexe et mieux comprendre le mécanisme de maintenance économe en énergie, nous avons étendu le système de contrôle basé sur les réflexes pour permettre des vitesses de marche contrôlées en fonction des vitesses cibles.

Nous avons développé une nouvelle méthode des moindres carrés pondérés en fonction des performances (PWLS) pour concevoir un modulateur de paramètres qui améliore l'efficacité de la marche tout en maintenant la vitesse cible pour un système bipède basé sur les réflexes.

Nous avons réussi à générer des allures de marche de 0,7 à 1,6 m/s dans un modèle musculo-squelettique 2D basé sur la vitesse cible à saisir dans l'environnement de simulation. Notre analyse détaillée du modulateur de paramètres dans un système basé sur l'inversion a révélé deux circuits d'inversion principaux qui ont un impact significatif sur l'efficacité énergétique.

De plus, il a été confirmé que ce résultat n'est pas affecté par le réglage des paramètres, c'est-à-dire la longueur des jambes, le délai sensoriel et les coefficients de poids dans la fonction de coût objectif.

Ces résultats constituent un outil puissant pour explorer les bases neuronales du contrôle des mouvements tout en mettant en évidence les mécanismes complexes qui sous-tendent la marche humaine et recèlent un grand potentiel pour des applications pratiques en ingénierie.