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PrĂ©sentation de l’expĂ©rimentation
La soft robotique, une discipline Ă©mergente au sein de la robotique.
Elle révolutionne notre approche en matière de conception et d’utilisation des robots car,à la différence des robots traditionnels, souvent constitués de pièces rigides et complexes, les robots souples présentent une approche novatrice basée sur des matériaux flexibles et adaptatifs.
Elle révolutionne notre approche en matière de conception et d’utilisation des robots car,à la différence des robots traditionnels, souvent constitués de pièces rigides et complexes, les robots souples présentent une approche novatrice basée sur des matériaux flexibles et adaptatifs.
Un projet de la MJ : MJ Port'Ouverte
MJ Port'Ouverte
Dates de dĂ©but de l’expĂ©rimentation : 10/01/2023
10/01/2023
Dates de fin l’expĂ©rimentation : 09/04/2024
09/04/2024
Quels étaient les enjeux de développement durable visés ?
💡 Énergie renouvelable
🗑️ Réduction de la pollution et des déchets
âś… Partage des savoirs
Cette expérimentation est :
Possiblement rĂ©alisable dans d’autres conditions
Nombre de jeunes/animateurs concernés ?
8
8
Déroulement de cette expérimentation
L’impact écologique de la soft robotique est particulièrement remarquable, notamment en raison de sa faible dépendance à l’égard des composants électroniques traditionnels.
Contrairement aux robots classiques qui nécessitent une multitude de circuits, capteurs et autres composants électroniques, les robots souples tirent parti de matériaux intelligents et de mécanismes mécaniques simples pour accomplir leurs tâches.
Cette approche minimaliste en termes d’électronique se traduit par une empreinte écologique réduite tout au long du cycle de conception et de vie du robot.
De la fabrication à l’élimination en fin de vie, les soft robots limitent la consommation de ressources électroniques coûteuses et potentiellement polluantes.
La soft robotique, vous l’aurez compris, possède bon nombre de points positifs.
-Un minimum, voire aucun composant Ă©lectronique,
-Un très faible impact écologique,
-Très peu de connaissances sont nécessaires pour développer des robots,…
Dans le cadre des recherches que nous avons effectuées durant cette année, nous avons mis l’accent sur le développement des matériaux élastomères.
Traditionnellement, l’utilisation du silicone est majoritairement privilégiée, mais ce matériau n’est pas particulièrement écologique.
Si la discipline nous a charmé, nous nous sommes rapidement rendus compte qu’il était envisageable de se pencher sur d’autres matières et réactions chimiques afin d’arriver à un résultat concluant, mais en utilisant des matières naturelles.
Contrairement aux robots classiques qui nécessitent une multitude de circuits, capteurs et autres composants électroniques, les robots souples tirent parti de matériaux intelligents et de mécanismes mécaniques simples pour accomplir leurs tâches.
Cette approche minimaliste en termes d’électronique se traduit par une empreinte écologique réduite tout au long du cycle de conception et de vie du robot.
De la fabrication à l’élimination en fin de vie, les soft robots limitent la consommation de ressources électroniques coûteuses et potentiellement polluantes.
La soft robotique, vous l’aurez compris, possède bon nombre de points positifs.
-Un minimum, voire aucun composant Ă©lectronique,
-Un très faible impact écologique,
-Très peu de connaissances sont nécessaires pour développer des robots,…
Dans le cadre des recherches que nous avons effectuées durant cette année, nous avons mis l’accent sur le développement des matériaux élastomères.
Traditionnellement, l’utilisation du silicone est majoritairement privilégiée, mais ce matériau n’est pas particulièrement écologique.
Si la discipline nous a charmé, nous nous sommes rapidement rendus compte qu’il était envisageable de se pencher sur d’autres matières et réactions chimiques afin d’arriver à un résultat concluant, mais en utilisant des matières naturelles.
Quels étaient les enjeux de développement durable visés ?
Robotique
Ascendance du projet : Comment les jeunes ont-ils été impliqués dans le projet ?
Nous avions émis l'hypothèse de travailler sur la Soft Robotique durant l'année scolaire 2022-2023 et cette perspective a enchanté tout le monde.
C'est donc naturellement que, tout au long du processus, les jeunes ont été impliqués pour comprendre les mécanismes et étapes nécessaires à obtenir un produit fini et surtout fonctionnel.
Des premières recherches sur internet, aux tests sur les matériaux naturels, ils ont petit à petit relevé tous les défis.
C'est donc naturellement que, tout au long du processus, les jeunes ont été impliqués pour comprendre les mécanismes et étapes nécessaires à obtenir un produit fini et surtout fonctionnel.
Des premières recherches sur internet, aux tests sur les matériaux naturels, ils ont petit à petit relevé tous les défis.
Acquisition par les jeunes : ce qu’ils ont appris et expĂ©rimentĂ© ?
Étant donné que nous sommes parti pratiquement de rien, chaque test, chaque erreur, comme chaque réussite fut prétexte à en apprendre davantage.
Ils ont appris :
– Ă modĂ©liser et Ă imprimer en 3D ou Ă modifier un ficher existant,
– utiliser le silicone en suivent les règles de sĂ©curitĂ© et de proportionnalitĂ©
– remettre et analyser chaque test pour identifier et corriger les erreurs,
– Imaginer un protocole de recherche
– suivre leur protocole et tirer des conclusions
– …
Ils ont appris :
– Ă modĂ©liser et Ă imprimer en 3D ou Ă modifier un ficher existant,
– utiliser le silicone en suivent les règles de sĂ©curitĂ© et de proportionnalitĂ©
– remettre et analyser chaque test pour identifier et corriger les erreurs,
– Imaginer un protocole de recherche
– suivre leur protocole et tirer des conclusions
– …
Quelles difficultés/freins avez-vous rencontrés ? Avez-vous réussi à les dépasser ? Si oui, comment (leviers/pistes) ?
Le chemin fut long pour arriver à un résultat fiable. La première difficulté fut le manque d'informations sur internet.
Bien sûr, nous avions trouvé des infos, bien qu'exclusivement en anglais, mais la mise en pratique n'en fut pas pour autant facile.
S'il a été relativement simple de trouver des exemples de moules, il a été beaucoup plus compliqué d'arriver à une utilisation performante.
Les exemples proposaient deux parties de moules.
Une fois le silicone coulé et les 5 heures de séchage passées, il était nécessaire d'assembler les deux parties ensemble.
Seulement voilà , le silicone ne colle pas au silicone. Nous avons essayé de nombreuses colles différentes, mais à chaque fois avec le même résultat :
un flop. Une fois les deux pièces "collées", il fallait injecter de l'air à l'intérieur, et c'est là que le bât blesse. Les tensions, torsions et autres contraintes physiques produisaient le même résultat :
un décollement.
La solution fut d'utiliser le même silicone que celui coulé dans les moules, de patienter fébrilement 5 heures de plus, et d'injecter l'air à l'intérieur pour voir le résultat.
Si cette solution fut concluante, après quelques injections successives, une partie finissait par se décoller et le grappin devenait inutilisable.
Au début, nous injections l'air par le dessus grâce à une petite embouchure imprimée en 3D.
C'est cette dernière qui lâchait en premier.
Nous avons donc décidé de percer un trou sur le côté afin d'y glisser le tube et de le sceller avec une colle silicone (efficace pour ça, mais moins pour coller les deux parties des moules ensemble).
Nous pouvions à présent effectuer plus d'injections, mais au bout d'un moment, le même résultat : un décollement.
Retour à la case départ.
À force de scruter internet et les vidéos filmées en 240p, nous avons vu qu'une personne, visiblement aussi déterminée que nous, offrait une autre possibilité.
Il n'utilisait pas deux parties, mais une seule. Oui, mais ce n'est pas hermétique, pensez-vous.
Eh bien, sa solution fut d'utiliser un tissu saturé de silicone sur lequel il venait déposer la partie supérieure de la pièce en silicone moulée.
Eurêka, nous avions affaire à un génie. Ni une ni deux, nous filions dans l'atelier couture afin de dénicher un tissu en coton à larges mailles, histoire que le tissu absorbe un maximum de liquide.
Seulement voilà , si nous n'utilisions plus deux parties (économie de matière au passage), nous n'avions plus non plus la place pour glisser notre tube entre les deux parties.
Nous sommes donc revenus Ă la solution de faire entrer l'air par le dessus, mais cette fois sans l'embouchure en 3D. Cinq heures plus tard, verdict… Un sans-faute.
Injections après injections, déformations après déformations, notre grappin tenait le coup.
Maintenant que nous avions résolu pas mal de problèmes et compris, au passage, énormément de choses, nous étions prêts à continuer nos recherches et à remplacer ce bon vieux silicone !
Lors d'un stage de robotique organisé à la MJ, deux jeunes ont enfilé leur blouse blanche et ouvert leur tableau Excel afin de suivre un protocole établi par leurs soins.
Leur stratégie était simple : commencer avec les proportions les plus faibles et augmenter progressivement tout en utilisant systématiquement 20g d'eau.
Ils ont commencé par la pectine, puis l'agar-agar afin d'isoler la proportion la plus optimale en termes de résistance à la torsion, tension, pression et élasticité.
Nous nous sommes rendu compte que, peu importe les quantités, la pectine ne durcissait jamais vraiment.
L'agar-agar, quant à lui, fonctionnait très bien, mais ne répondait pas pour autant à nos besoins techniques.
Soit la consistance était très bien, mais il ne résistait pas à la torsion, soit il ne résistait pas à la pression.
Globalement, nous avons remarqué que l'agar-agar, si gélatineux soit-il, ne résistait presque jamais à la pression.
Nous avons eu de bons résultats en termes de torsion, mais jamais sur la pression.
Les liaisons moléculaires semblaient très courtes, si bien que le point de rupture arrivait très vite et avec très peu de force.
Il était d’ailleurs si fragile que nous n'avions même pas pu placer les échantillons dans notre banc de test, car la pince, censée tenir la pièce, la coupait systématiquement.
La seconde partie de l'expérience consistait à mélanger les deux solutions les plus adéquates, afin de combiner les propriétés.
Là encore, le résultat n'était pas au rendez-vous ! La pectine empêchait l'agar-agar de sécher entièrement sans pour autant gagner en élasticité.
Le jour suivant, nous avons dĂ©cidĂ© de tester des mĂ©langes agar-agar – silicone.
Nous disant que 80% de silicone était toujours mieux que 100%, nous nous sommes donc aventurés dans cette voie.
Deux silicones à notre disposition donc deux fois plus de chance de réussir. Eh bien non.
Silicone 00-35 :
Nous savions que le silicone durcit Ă froid, alors que l'agar-agar doit obligatoirement passer par une phase d'Ă©bullition afin de pouvoir durcir.
La solution trouvée fut de commencer par l'agar-agar ; une fois les 100°C franchis, nous y incorporions le silicone et commencions à mélanger.
Presque immédiatement, une boule s'est formée sur notre mélangeur et… c'est tout !
Le silicone, qui durcit normalement après 15 minutes sous l'effet de la chaleur, a durci instantanément.
Silicone 00-30 :
Nous recommençons avec le silicone pendant 5 heures.
L'agar-agar est porté à ébullition, le silicone incorporé et la journée s'est achevée là -dessus.
Le lendemain, pressés de découvrir le résultat, notre ascenseur émotionnel s'est fracassé dans la cave de notre optimisme.
L'agar-agar était au fond, le silicone à la surface, nous venions de réaliser le sandwich le moins digeste du monde.
Passés en mode “freestyle”, les jeunes ont essayé tout ce qui leur passait par la tête, mais avec un seul résultat :
la déception de deux composants refusant de se mélanger. En guise d’épitaphe, leur conclusion dans le tableau fut celle-ci :
“Conclusion après les premiers tests :
La pectine seule, peu importe les quantités eau / pectine, ne fonctionne pas.
L’agar-agar seul est prometteur, il résiste un peu à la traction et à la torsion, mais absolument pas à la pression.
L’ajout de silicone 00-35 dans l’agar-agar solidifie directement le mélange et ne fonctionne pas.
L’ajout de silicone 00-30 dans l’agar-agar fonctionne un peu mieux pour le moment car il ne se solidifie pas immédiatement.
Cependant, il faut attendre 5 heures pour que le silicone durcisse entièrement.
La tolérance à la pression est correcte, mais ni la torsion ni la traction ne sont satisfaisantes.
À voir demain après 5 heures de séchage.
Le lendemain, surprise, les deux composants se sont dissociés.
L’agar-agar s’est déposé au fond alors que le silicone est remonté à la surface.
À l’image de l’eau et de l’huile, les deux fluides ont des densités différentes, ce qui empêche un mélange homogène.
Nous avons essayé en effectuant une émulsion, mais ce procédé a pour effet d’emprisonner trop de bulles, rendant la cohésion de l’échantillon bien trop fragile.”
Bien sûr, nous avions trouvé des infos, bien qu'exclusivement en anglais, mais la mise en pratique n'en fut pas pour autant facile.
S'il a été relativement simple de trouver des exemples de moules, il a été beaucoup plus compliqué d'arriver à une utilisation performante.
Les exemples proposaient deux parties de moules.
Une fois le silicone coulé et les 5 heures de séchage passées, il était nécessaire d'assembler les deux parties ensemble.
Seulement voilà , le silicone ne colle pas au silicone. Nous avons essayé de nombreuses colles différentes, mais à chaque fois avec le même résultat :
un flop. Une fois les deux pièces "collées", il fallait injecter de l'air à l'intérieur, et c'est là que le bât blesse. Les tensions, torsions et autres contraintes physiques produisaient le même résultat :
un décollement.
La solution fut d'utiliser le même silicone que celui coulé dans les moules, de patienter fébrilement 5 heures de plus, et d'injecter l'air à l'intérieur pour voir le résultat.
Si cette solution fut concluante, après quelques injections successives, une partie finissait par se décoller et le grappin devenait inutilisable.
Au début, nous injections l'air par le dessus grâce à une petite embouchure imprimée en 3D.
C'est cette dernière qui lâchait en premier.
Nous avons donc décidé de percer un trou sur le côté afin d'y glisser le tube et de le sceller avec une colle silicone (efficace pour ça, mais moins pour coller les deux parties des moules ensemble).
Nous pouvions à présent effectuer plus d'injections, mais au bout d'un moment, le même résultat : un décollement.
Retour à la case départ.
À force de scruter internet et les vidéos filmées en 240p, nous avons vu qu'une personne, visiblement aussi déterminée que nous, offrait une autre possibilité.
Il n'utilisait pas deux parties, mais une seule. Oui, mais ce n'est pas hermétique, pensez-vous.
Eh bien, sa solution fut d'utiliser un tissu saturé de silicone sur lequel il venait déposer la partie supérieure de la pièce en silicone moulée.
Eurêka, nous avions affaire à un génie. Ni une ni deux, nous filions dans l'atelier couture afin de dénicher un tissu en coton à larges mailles, histoire que le tissu absorbe un maximum de liquide.
Seulement voilà , si nous n'utilisions plus deux parties (économie de matière au passage), nous n'avions plus non plus la place pour glisser notre tube entre les deux parties.
Nous sommes donc revenus Ă la solution de faire entrer l'air par le dessus, mais cette fois sans l'embouchure en 3D. Cinq heures plus tard, verdict… Un sans-faute.
Injections après injections, déformations après déformations, notre grappin tenait le coup.
Maintenant que nous avions résolu pas mal de problèmes et compris, au passage, énormément de choses, nous étions prêts à continuer nos recherches et à remplacer ce bon vieux silicone !
Lors d'un stage de robotique organisé à la MJ, deux jeunes ont enfilé leur blouse blanche et ouvert leur tableau Excel afin de suivre un protocole établi par leurs soins.
Leur stratégie était simple : commencer avec les proportions les plus faibles et augmenter progressivement tout en utilisant systématiquement 20g d'eau.
Ils ont commencé par la pectine, puis l'agar-agar afin d'isoler la proportion la plus optimale en termes de résistance à la torsion, tension, pression et élasticité.
Nous nous sommes rendu compte que, peu importe les quantités, la pectine ne durcissait jamais vraiment.
L'agar-agar, quant à lui, fonctionnait très bien, mais ne répondait pas pour autant à nos besoins techniques.
Soit la consistance était très bien, mais il ne résistait pas à la torsion, soit il ne résistait pas à la pression.
Globalement, nous avons remarqué que l'agar-agar, si gélatineux soit-il, ne résistait presque jamais à la pression.
Nous avons eu de bons résultats en termes de torsion, mais jamais sur la pression.
Les liaisons moléculaires semblaient très courtes, si bien que le point de rupture arrivait très vite et avec très peu de force.
Il était d’ailleurs si fragile que nous n'avions même pas pu placer les échantillons dans notre banc de test, car la pince, censée tenir la pièce, la coupait systématiquement.
La seconde partie de l'expérience consistait à mélanger les deux solutions les plus adéquates, afin de combiner les propriétés.
Là encore, le résultat n'était pas au rendez-vous ! La pectine empêchait l'agar-agar de sécher entièrement sans pour autant gagner en élasticité.
Le jour suivant, nous avons dĂ©cidĂ© de tester des mĂ©langes agar-agar – silicone.
Nous disant que 80% de silicone était toujours mieux que 100%, nous nous sommes donc aventurés dans cette voie.
Deux silicones à notre disposition donc deux fois plus de chance de réussir. Eh bien non.
Silicone 00-35 :
Nous savions que le silicone durcit Ă froid, alors que l'agar-agar doit obligatoirement passer par une phase d'Ă©bullition afin de pouvoir durcir.
La solution trouvée fut de commencer par l'agar-agar ; une fois les 100°C franchis, nous y incorporions le silicone et commencions à mélanger.
Presque immédiatement, une boule s'est formée sur notre mélangeur et… c'est tout !
Le silicone, qui durcit normalement après 15 minutes sous l'effet de la chaleur, a durci instantanément.
Silicone 00-30 :
Nous recommençons avec le silicone pendant 5 heures.
L'agar-agar est porté à ébullition, le silicone incorporé et la journée s'est achevée là -dessus.
Le lendemain, pressés de découvrir le résultat, notre ascenseur émotionnel s'est fracassé dans la cave de notre optimisme.
L'agar-agar était au fond, le silicone à la surface, nous venions de réaliser le sandwich le moins digeste du monde.
Passés en mode “freestyle”, les jeunes ont essayé tout ce qui leur passait par la tête, mais avec un seul résultat :
la déception de deux composants refusant de se mélanger. En guise d’épitaphe, leur conclusion dans le tableau fut celle-ci :
“Conclusion après les premiers tests :
La pectine seule, peu importe les quantités eau / pectine, ne fonctionne pas.
L’agar-agar seul est prometteur, il résiste un peu à la traction et à la torsion, mais absolument pas à la pression.
L’ajout de silicone 00-35 dans l’agar-agar solidifie directement le mélange et ne fonctionne pas.
L’ajout de silicone 00-30 dans l’agar-agar fonctionne un peu mieux pour le moment car il ne se solidifie pas immédiatement.
Cependant, il faut attendre 5 heures pour que le silicone durcisse entièrement.
La tolérance à la pression est correcte, mais ni la torsion ni la traction ne sont satisfaisantes.
À voir demain après 5 heures de séchage.
Le lendemain, surprise, les deux composants se sont dissociés.
L’agar-agar s’est déposé au fond alors que le silicone est remonté à la surface.
À l’image de l’eau et de l’huile, les deux fluides ont des densités différentes, ce qui empêche un mélange homogène.
Nous avons essayé en effectuant une émulsion, mais ce procédé a pour effet d’emprisonner trop de bulles, rendant la cohésion de l’échantillon bien trop fragile.”
Quelles ont été les plus grandes réussites de cette expérimentation ? Et le meilleur moment ?
Elles ont été multiples, bien que nous ne soyons jamais arrivés à remplacer le silicone.
Il n'en demeure pas moins que chaque étape concluante fut une réussite en soi, tant nous partions avec très peu d'informations.
La plus grande fut néanmoins celle où, après un nombre conséquent d'échecs, nous avons obtenu la première préhension de notre grappin.
Cela n'a pas duré, car une fuite est très vite apparue, nous offrant un mémorable "prouuuut", mais un grand cap fut franchi.
La seconde victoire notable fut l'utilisation du tissu, un élément que nous avons gardé jusqu'à la fin.
Il n'en demeure pas moins que chaque étape concluante fut une réussite en soi, tant nous partions avec très peu d'informations.
La plus grande fut néanmoins celle où, après un nombre conséquent d'échecs, nous avons obtenu la première préhension de notre grappin.
Cela n'a pas duré, car une fuite est très vite apparue, nous offrant un mémorable "prouuuut", mais un grand cap fut franchi.
La seconde victoire notable fut l'utilisation du tissu, un élément que nous avons gardé jusqu'à la fin.
Quels ont été les retours des jeunes tout au long du projet (aspects positifs et négatifs) ? Avez-vous des témoignages à partager ?
Les jeunes ont directement accroché, et ce, avant même le début de l'expérience.
Ils étaient curieux et impliqués dans les différentes phases de recherches, même s'ils étaient déçus de ne pas parvenir à remplacer le silicone.
Lors de la première phase du concours de robotique, ils ont eu l'occasion d'expliquer au jury l'expérience et pourquoi ils voulaient remplacer certains composants par de la soft robotic.
immanquablement, ils ont attiré toute l'attention et leurs efforts ont été récompensés par le prix de l'éco-conception.
Lors de la seconde phase, le robot principal fut armé de ce grappin, mais il n'a pas eu l'efficacité voulue.
Les matchs durant 100 secondes, le grappin mettait trop de temps Ă se refermer.
De plus, nous avions décidé d'utiliser une seringue pour injecter l'air.
Après quelques temps, cette dernière nécessitait trop de force, car la friction était trop grande et le servomoteur n'était plus capable de pousser le piston dans son tube.
Ce fut donc une petite déception, surtout pour les jeunes qui avaient travaillé sur ce module, mais le but étant principalement d'apprendre des choses, ce ne fut pas un échec total.
Ils étaient curieux et impliqués dans les différentes phases de recherches, même s'ils étaient déçus de ne pas parvenir à remplacer le silicone.
Lors de la première phase du concours de robotique, ils ont eu l'occasion d'expliquer au jury l'expérience et pourquoi ils voulaient remplacer certains composants par de la soft robotic.
immanquablement, ils ont attiré toute l'attention et leurs efforts ont été récompensés par le prix de l'éco-conception.
Lors de la seconde phase, le robot principal fut armé de ce grappin, mais il n'a pas eu l'efficacité voulue.
Les matchs durant 100 secondes, le grappin mettait trop de temps Ă se refermer.
De plus, nous avions décidé d'utiliser une seringue pour injecter l'air.
Après quelques temps, cette dernière nécessitait trop de force, car la friction était trop grande et le servomoteur n'était plus capable de pousser le piston dans son tube.
Ce fut donc une petite déception, surtout pour les jeunes qui avaient travaillé sur ce module, mais le but étant principalement d'apprendre des choses, ce ne fut pas un échec total.
Photos de l’expérimentation.
Commentaire sur les conditions et difficultĂ©s de mise en place de l’expĂ©rimentation.
Nous avons réalisé un Wiki afin de pouvoir refaire expérience, mais aussi de partager nos recherches, fichiers 3D et codes en OpenSource :
https://wiki.madeintakos.com/doku.php?id=projets:robotique:expe_soft_robotique#quatrieme_phase_de_recherches