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L'impression 3D, révolution
dans l'ingénierie...et dans la robotique.
Jean-Paul Baquiast 23/09/2011
Le
terme d'impression 3D (3 Dimensions) doit être
explicité. Il s'agit d'une aide à l'ingénierie,
autrement dit d'une aide au prototypage et à
la production d'objets industriels. On utilise le terme
d'imprimante pour désigner les machines employées
à cette fin, car elles présentent des
similitudes de principe avec les imprimantes de bureau.
D'une part celles-ci sont commandées par des
programmes réalisées en amont. D'autre
part, dans l'impression couleur, elles disposent de
buses spécialisées par couleur qui déposent
celles-ci sur l'image par couches successives. Par ailleurs
la taille des imprimantes 3D diminue de plus en plus,
ce qui permet, en ce qui concerne au moins la réalisation
d'objets de petite taille, d'en faire des outils facilement
utilisables dans les bureaux d'ingénieurs ou
dans les ateliers d'artistes. Nous renvoyons à
Wikipedia pour les détails (Impression 3D industrielle
ou stéréolithographie http://fr.wikipedia.org/wiki/Impression_3D)
Traditionnellement,
la réalisation d'un objet fini industriel supposait
l'appel à des matériaux peu souples, le
métal, le bois, dont les contraintes limitent
les potentialités de l'objet. Il en est ainsi
par exemple d'une aile d'avion traditionnelle. Il ne
sert à rien aux concepteurs de définir
mathématiquement des propriétés
idéales en terme d'aérodynamique ou de
résistance si le matériel finalement utilisé
ne permet pas de les mettre en oeuvre. C'est le recours
à des matériaux beaucoup plus adaptables
à tous égards, notamment les matières
plastiques, qui a révolutionné la fabrication
et par répercussion la conception. On sait maintenant,
soit au niveau du prototype soit à celui de l'objet
fini, produire des formes résultant du dépôt
couche par couche des composants nécessaires.
Ces couches se solidifient en donnant un objet non seulement
doté de formes irréalisables autrement
mais beaucoup plus cohérent et solide que s'il
résultait de l'assemblage de pièces différentes.
Aujourd'hui
le choix des composants susceptibles d'être utilisés
en ingénierie 3D s'étend rapidement. Non
seulement les matières plastiques ont gagné
en fiabilité, mais il est possible de les combiner
en proportions adéquates avec divers métaux
en poudre. L'imprimante 3D est une machine utilisant
le laser pour fabriquer l'objet couche par couche, chacune
ne dépassant pas l'épaisseur de quelques
millimètres. Pour cela, elle découpe le
modèle informatique de l'objet, produit par CAO
(computer assisted design) en centaines de couches 2D
aisément imprimables. Chaque couche est alors
imprimée en 2D par un rayon laser sur un support
du matériau requis, plastique, acier ou titanium.
La chaleur du laser fusionne les particules en un ensemble
compact. On obtient finalement une sorte de gâteau
feuilleté dont l'objet désiré peut
être extrait en supprimant la partie non utile
des couches.
La
conception par ordinateur a parallèlement pu
progresser. Les concepteurs, plutôt que devoir
s'enfermer dans des contraintes étroites, imposées
par les limites de résistance du matériau
traditionnel, ont élargi les ambitions de l'objet
visé et développé pour y atteindre
des programmes évolutifs plus performants. Par
ailleurs, les techniques de l'IA, par exemple l'utilisation
d'algorithmes génétiques, ont rendu la
production des programmes beaucoup plus rapide et efficace.
Ainsi il n'est plus nécessaire d'attendre le
résultat de tests en vraie grandeur pour obtenir
les spécifications adéquates. La simulation
simultanée des environnements, des objets et
des programmes de production correspondants, dans un
environnement virtuel, permet de gagner beaucoup de
temps. Certains n'excluent plus aujourd'hui de réaliser
des programmes auto-adaptatifs qui seraient l'amorce
d'objets industriels capables de s'ajuster aux-mêmes
à leur milieu.
L'industrie
n'en est évidemment pas là, mais le nombre
et les capacités des objets entièrement
réalisés par ces méthodes de CAO
augmentée couplée à la production
3D sont en train de se multiplier. Les coûts diminueront
considérablement. En aéronautique par
exemple, si l'on n'envisage pas encore la réalisation
en totalité de gros porteurs, le nombre de pièces
de ceux-ci résultant de tels processus ne cesse
d'augmenter, sans résultats négatifs sur
la fiabilité. A plus petite échelle, la
réalisation de drones sans équipage adaptés
à des missions de plus en plus acrobatiques est
déjà en cours. Entre autres objets de
grande taille, des architectes étudient la technique
3D pour produire des éléments de logements,
voire des modules entiers.
Certes,
les matières premières nécessaires:
pétrole pour les composants polyesters, métaux
plus ou moins rares tels le titanium, alliages sophistiqués
d'aluminium ou d'acier, ne sont pas gratuits ni renouvelables.
Mais le problème est le même dans l'ingénierie
classique. On peut donc prédire un grand succès
à ces méthodes.
Les
applications en robotique autonome
Des
firmes produisant des robots mobiles variés,
tel Motile Robotics (http://www.motilerobotics.com/)
basée dans le Maryland font déjà
un large usage de l'impression 3D pour réaliser
à faible coûts divers robots de laboratoire
permettant d'explorer des fonctionnalités difficile
d'accès pour des robots classiques. Ainsi sont
produits de petits robots volants analogues à
des insectes, entièrement conçus en 3D.
Le Robotic Lab de l'université Carlos
III
http://roboticslab.uc3m.es/roboticslab/ à
Madrid étudie actuellement l'impression 3D de
tous les composants complexes, moteurs, circuits et
transistors nécessaires à des robots imprimables,
notamment des robots de société. Le site
Thingiverse
http://www.thingiverse.com/ vise a rassembler sur
le mode de l'open source des chercheurs professionnels
ou amateurs s'intéressant aux perspectives ainsi
ouvertes, ainsi qu'aux matériels d'impression
dont la taille et le coût sont en baisse continue.
L'industrie militaire investit aussi dans ces domaines,
plus discrètement évidemment.
Mais
il y a mieux. Dans la perspective que nous évoquions,
produire des objets capables de s'auto-concevoir et
s'auto-adapater, la robotique offre des opportunités
apparemment illimitées. En effet, si la production
de robots (humanoïdes ou non) peut devenir aisée
grâce à l'impression 3D, il suffira de
constituer des populations de tels robots, dotés
par ailleurs d'intelligence artificielle développée,
pour obtenir en les mettant en concurrence des processus
de sélection analogues à ceux de la biologie.
Les robots ainsi réalisés pourront d'une
part améliorer les programmes de CAO et les matériels
utilisés pour leur propre production, d'autre
part la puissance de leurs capacités cognitives
résultant d'une interaction facilitée
avec le monde extérieur. Ainsi leurs corps et
leurs cerveaux pourront-ils se développer simultanément.
C'est
l'objectif que poursuit le projet HyperNEAT développé
par le Creative Machines lab de l'Université
Cornell (USA). Il s'agit de recréer les conditions
dans lesquelles de jeunes enfants acquient simultanément
de nouvelles capacités corporelles et le système
nerveux permettant de les utiliser. Une expérience
est actuellement en cours pour doter des robots, sans
les programmer à l'avance, d'aptitudes à
la marche. http://creativemachines.cornell.edu/evolved-quadruped-gaits.
La réalisation a été présentée
à Paris en août dernier lors de la 11e
European conference on artificial life ECAL http://www.ecal11.org/.
L'objectif
ne se limite pas à produire des cerveaux robotiques
ayant acquis des capacités sensiro-motrices ou
cognitives améliorées, mais de relier
ces cerveaux à des imprimantes 3D capables d'intégrer
ces améliorations pour la production de nouvelles
générations de robots ainsi améliorés.
Le site EndlessForms également hébergé
à l'université Cornell vise à réunir
les promoteurs de telles expérimentations faisant
appel à une conception 3D enrichie (http://endlessforms.com/press/)
Les cerveaux utilisent des réseaux neuronaux
mais on pourrait envisager qu'ils s'auto-construisent
sur la base des systèmes multi-agents (SMA) tels
que proposés notamment par Alain Cardon en France.
Pour
Jean-Baptiste Mouret de l'Institut des systèmes
intelligents et de la robotique (Paris) http://www.isir.upmc.fr/?op=view_profil&id=72&lang=fr
, si les recherches en ce sens sont poursuivies, l'on
verra prochainement apparaître des entités
présentant des solutions corps-cerveaux originales,
jusqu'à présent ignorées par l'évolution
biologique terrestre.
Note
L'Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique
(ISIR) est un laboratoire de recherche pluridisciplinaire
qui rassemble des chercheurs et enseignants-chercheurs
relevant de différentes disciplines des Sciences
de l’Ingénieur et de l’Information
ainsi que des Sciences du Vivant.
L’ISIR est une Unité Mixte de Recherche
(UMR7222) commune à l’Université
Pierre et Marie Curie (UPMC) et au Centre National de
la Recherche Scientifique (CNRS). L'ISIR est rattaché
d’une part à la faculté d’Ingénierie
de l’UPMC (UFR 919) et d’autre part à
l’Institut des Sciences de l'Ingénierie
et des Systèmes (INSIS) du CNRS.
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