Une peau intelligente pour une communication plus précise et une détection en champ proche en robotique

Une peau intelligente pour une communication plus précise et une détection en champ proche en robotique

Dans l'industrie manufacturière, le secteur des services professionnels et le secteur de la santé, des interactions physiques spécifiques entre l'homme et le robot sont de plus en plus nécessaires. Cela nécessite des améliorations en termes de confort et de commodité ainsi que de communication entre l'homme et la machine.

Les robots doivent être capables de prédire les actions humaines et de reconnaître les intentions. Cela nécessite des métamatériaux flexibles, et plus particulièrement des antennes à métasurface plates dotées d'une électronique hautement intégrée qui permettent de détecter l'environnement proche.

L'Institut Fraunhofer de physique des hautes fréquences et de techniques radar FHR s'est associé à six partenaires du projet européen FITNESS pour développer ce type de surfaces, qui recouvrent un robot comme une peau adaptative et intelligente. L'idée est que les robots équipés d'antennes à métasurface puissent analyser leur environnement proche avec une plus grande précision et communiquer plus efficacement avec leur station de base dans le champ lointain.

Les robots jouent un rôle de plus en plus important, notamment dans la fabrication industrielle. Dans le cadre de cette tendance, les interactions physiques entre les humains et les robots sont devenues une technologie clé, contribuant à rendre les processus de production plus efficaces.

Lors du développement des interactions homme-machine, la sécurité des travailleurs est primordiale. C'est là qu'intervient le projet européen FITNESS (Flexible IntelligenT NEarfield Sensing Skins). Le projet vise à optimiser la communication et l'interaction entre les humains et les machines grâce à des solutions d'antennes intelligentes sous la forme de surfaces de métamatériaux électromagnétiques innovantes avec électronique intégrée.

Les antennes de métasurface flexibles et extensibles, adaptées à l'émission d'ondes de surface, devraient permettre de scanner leur environnement en champ proche beaucoup plus efficacement que les antennes conventionnelles, améliorant ainsi à la fois la sécurité humaine et les performances des robots.

Six autres partenaires issus de l'industrie et de la recherche collaborent au projet avec le Fraunhofer FHR : le Centre national de la recherche scientifique (CNRS), eV-Technologies, l'Université de technologie de Hambourg (TUHH), l'Université catholique de Louvain (UCLouvain), la Faculté d'ingénierie électrique et d'informatique de l'Université de Zagreb et L-up. Le projet est coordonné par l'UCLouvain, en Belgique, et financé par l'Union européenne sous le numéro GA 101098996.

Antenne intelligente avec fonctions sensorielles et communicatives

Les antennes métasurfaces sont des antennes plates intégrées dans des substrats en forme de film qui s'adaptent aux contours du robot. Grâce à leur structure plate, ces antennes peuvent se plier et s'étirer, s'enroulant autour du robot comme une peau. Alternativement, et selon l'application, elles peuvent également être positionnées uniquement sur le bras du robot, par exemple. C'est ainsi qu'on les appelle « peaux intelligentes ».

« La particularité de notre future solution d'antenne réside dans le fait qu'elle peut analyser l'environnement proche et détecter les mouvements tout en étant capable de communiquer par radio avec la station de base de l'atelier », explique Andrej Konforta, responsable du groupe 3D-Print HF Systems chez Fraunhofer FHR. « Aucune autre solution de ce type n'existe à ce jour sur le marché. »

Petites géométries, haut degré de liberté

L'objectif des chercheurs est de développer une solution d'antenne innovante qui permette la formation de faisceaux, un processus utilisé pour contrôler électroniquement les propriétés de rayonnement d'une antenne. Le résultat est que le faisceau électromagnétique réglable est toujours orienté vers la station de base, ce qui garantit un signal plus fort et plus stable et augmente la portée du robot. Jusqu'à présent, la formation de faisceaux était généralement assurée par ce que l'on appelle des « réseaux à commande de phase ».

« Dans un réseau à commande de phase, de nombreuses antennes sont connectées en groupe. La phase de chaque élément d'antenne individuel est variable, ce qui permet d'influencer l'orientation du réseau », explique Konforta.

Cette technologie a été jusqu'à présent principalement utilisée dans des contextes militaires. Dans les réseaux d'antennes classiques, les éléments d'antenne et leur électronique sont regroupés à proximité les uns des autres. Cela entraîne des coûts élevés, une grande dissipation de chaleur et une forte vulnérabilité aux erreurs.

Les antennes à métasurface, en revanche, pourraient être conçues avec une électronique considérablement simplifiée, sans perdre les propriétés de la configuration conventionnelle. Le nouveau concept peut aider à réduire les coûts et à réaliser des structures plus petites et plus compactes.

« Avec les surfaces métamatériaux, nous poursuivons un nouveau concept de conception qui permet des géométries très petites avec un haut degré de liberté dans la conception des champs émis mais aussi pour la meilleure extraction possible des signaux gestuels », explique Konforta.

Développement de nouveaux substrats d'antennes

Les antennes sont généralement intégrées dans des substrats micro-ondes rigides. Il existe également des matériaux extensibles, offrant ainsi une grande flexibilité. Cependant, ces substrats flexibles entraînent des pertes trop importantes. Ils ne fonctionnent pas de manière optimale dans la gamme des hautes fréquences, comme l'a montré la technologie de mesure développée par les chercheurs de Fraunhofer FHR. Les substrats classiques disponibles sur le marché ne sont donc pas adaptés de manière optimale à la transmission de signaux haute fréquence.

Sur la base des résultats de l'institut Fraunhofer FHR, la TUHH développe de nouveaux substrats dans le cadre du projet FITNESS. L'Institut de physique appliquée des polymères (IAPP) utilise un mélange de polymères et des polymères avec des particules céramiques intégrées pour synthétiser des matériaux extensibles potentiellement adaptés aux hautes fréquences. Ces matériaux seront ensuite testés par l'institut Fraunhofer FHR au fur et à mesure de l'avancement du projet.

En outre, un dispositif de mesure existant est optimisé sur la base des premiers résultats et étendu à d’autres bandes de fréquences, tandis que le logiciel pour le dispositif final est en cours de développement. Parallèlement, les partenaires du projet étudient comment les déformations des surfaces extensibles affectent leurs propriétés dans les champs proche et lointain.

Les plans à long terme prévoient des antennes de métasurface auto-étalonnées qui reconnaissent de manière autonome leur courbure et leur forme pour assurer une réception optimale du signal et éviter les problèmes de communication.

Une multitude d'applications

Outre la robotique dans les environnements de production, les partenaires du projet considèrent également que l'ingénierie médicale et la robotique constituent des domaines d'application potentiels. Des antennes de métasurface sous forme de peau intelligente pourraient aider des appareils tels que des robots d'assistance à reconnaître les gestes avec plus de précision et à interagir davantage avec les humains. Cette technologie pourrait également être utilisée dans les équipements de protection individuelle pour la lutte contre les incendies et dans les combinaisons spatiales.