Des chercheurs ont créé un capteur tactile qui change de couleur sous la pression. Cette innovation transforme le contact en motifs colorés visibles, enregistrés par une simple webcam, éliminant le besoin de calculs complexes pour la détection robotique.
Des chercheurs ont mis au point un capteur tactile qui modifie sa couleur lorsqu’il est soumis à une pression. Cette technologie convertit le contact en motifs colorés visibles, capturés par une simple webcam USB, sans nécessiter de calculs complexes.
Les scientifiques envisagent des applications en robotique de précision, pour les prothèses et en chirurgie assistée.
Un matériau qui transforme la pression en couleur
Giacomo Sasso, chercheur postdoctoral à l’École d’Ingénierie et de Science des Matériaux de l’Université Queen Mary de Londres, a développé avec James Busfield, professeur à la même université, et Federico Carpi, professeur à l’Université de Florence, un matériau souple qui réagit à la pression en changeant de couleur.
Une webcam USB enregistre cette réaction et génère instantanément une cartographie détaillée de la pression, sans utiliser les réseaux de capteurs électroniques employés jusqu’à présent dans les pinces robotiques. Le matériau produit des motifs colorés dès qu’une force entre en contact avec sa surface.
Les travaux, publiés dans la revue Science Advances, présentent une résolution proche de 100 micromètres, suffisante pour distinguer les crêtes d’une empreinte digitale humaine.
(A à C) Schémas comparant les méthodes traditionnelles de détection tactile par vision avec la nouvelle technologie mécano-chromique. (D) Exemple d’intégration du capteur mécano-chromique sur le bout d’un doigt robotique. (E) Prototype du doigt robotique avec une couche élastomère transparente recouverte du capteur mécano-chromique. (F) Images capturées par la caméra interne lors de tests avec une pièce d’un cent et cartes 3D correspondantes de la pression appliquée. La vidéo S1 montre la détection tactile en temps réel.
Fonctionnement de cette peau artificielle
Deux couches de silicone flexible enveloppent un réflecteur de Bragg extensible, une structure qui réfléchit certaines longueurs d’onde selon son épaisseur. Lorsqu’un doigt ou un objet appuie sur cette peau artificielle, la pression comprime localement les couches et modifie l’espacement interne de la structure.
La lumière se réfléchit alors différemment et la zone touchée change de teinte en temps réel. Ce phénomène, nommé couleur structurelle, existe déjà dans la nature. Les ailes de certains papillons et les plumes du paon doivent leur éclat au même principe optique, sans utiliser de pigments colorés.
Une webcam USB enregistre ensuite la surface et associe chaque teinte à un niveau de pression spécifique. Sur un doigt humain, cette méthode a produit une carte des crêtes d’une empreinte digitale avec une résolution proche de 100 micromètres, soit environ le diamètre d’un cheveu.
Une pièce d’un cent et une feuille d’arbre ont également servi aux tests, atteignant le même degré de détail. Les capteurs tactiles basés sur la vision existaient déjà, mais devaient effectuer des calculs complexes pour reconstruire une carte tridimensionnelle du contact à partir de l’image capturée.
Cette étape de reconstruction introduisait toujours un léger délai entre le contact et sa lecture.
(A) Structure du capteur mécano-chromique dans les états sans pression et comprimé. (B) Fonctionnement du matériau mécano-chromique en tant que réflecteur de Bragg extensible. (C) Tests de traction montrant le changement de couleur du matériau lorsqu’il est déformé. (D à F) Tests de cartographie du contact sur différentes surfaces (doigt, pièce et feuille), avec images originales, cartes 2D et 3D de la pression et graphiques de la déformation du matériau.
Applications en robotique, prothèses et chirurgie
Une pince robotique recouverte de ce matériau pourrait assembler des composants microscopiques sans les endommager, car elle révèle chaque variation de force avant la rupture. De même, une prothèse équipée de cette peau artificielle pourrait transmettre à l’utilisateur une sensation de contact plus riche, geste après geste.
En chirurgie, un instrument recouvert de ce matériau pourrait distinguer un tissu sain d’une tumeur, car tous deux produisent des signatures colorées différentes sous pression.
Une approche distincte des capteurs tactiles
Pour Giacomo Sasso, une main humaine possède plus de dix mille mécanorécepteurs, et la robotique recherche toujours une solution équivalente. Le chercheur a choisi de déplacer la détection à l’intérieur du matériau lui-même, plutôt que de recourir à des réseaux de capteurs superposés.
D’après James Busfield, l’information est déjà contenue dans le signal lumineux. Ainsi, le système observe directement le contact, au lieu de le reconstruire.
Un projet mené par plusieurs universités
L’équipe inclut également des chercheurs de l’Université de Trente, de l’Université de Trieste et de l’Université de Florence, où travaille Federico Carpi. Ces travaux prolongent plusieurs années de recherche sur les capteurs extensibles et les polymères, un domaine où l’Université Queen Mary avait déjà exploré le développement de peau électronique pour robots et prothèses.
Les systèmes conventionnels basés sur la vidéo offraient une bonne résolution, mais perdaient en rapidité à cause des calculs nécessaires. Les capteurs tactiles basés sur des taxels réagissaient rapidement, mais ne parvenaient jamais à atteindre le même niveau de détail.
Actuellement, les capteurs traditionnels de taxels sont limités à environ un millimètre de résolution, même avec le soutien de techniques d’apprentissage profond.