La microrobotique est la branche de la robotique qui étudie la conception de dispositifs robotiques évoluant à l'échelle micrométrique; du micromètre au millimètre.
Essaim de mini-robots (3 cm), produits dans le cadre d'un projet à source libre micro-robotic project. De tels essaims de microrobots peu coûteux pourraient à l'avenir remplir certaines taches dangereuses ou dans des endroits inaccessiblesMicrorobot fonctionnant avec une alimentation photovoltaique.
Cette discipline inclut notamment l'élaboration et la fabrication de petits robots mobiles. Le terme microrobotique est parfois aussi utilisé pour désigner la production d'éléments de robots de taille micrométrique ou des éléments logiciels capables de gérer des composants micrométriques.
Aux échelles encore plus petites, on parle de nanorobot.
Taille et définition
Le préfixe «micro» a beaucoup été utilisé pour subjectivement désigner de petits robots, mais de tailles très variables. Un projet de normalisation des noms correspondant aux échelles de taille évite la confusion. Ainsi:
un nanorobot a des dimensions égales ou inférieures à 1 micromètre, ou permet de manipuler des composants sur la plage de 1 à 1000 nm de taille.
Un micro-robot aurait des dimensions caractéristiques inférieure à 1 millimètre,
un millirobot aurait des dimensions moins d'un cm (il se mesure en millimètres),
un minirobot aurait des dimensions inférieures à 10 cm,
un petit robot aurait des dimensions inférieures à 100 cm.
Histoire et prospective
L'origine première de la micro-robotique est peut-être à trouver chez les petits automates puis dans la science-fiction.
La microrobotique est une discipline encore très émergente, mais des micro-robots expérimentaux existent déjà.
Bien que de conception assez simple, certains peuvent déjà par exemple se déplacer sur l'eau comme les gerris ou grimper sur les murs.
Les nanocomposants et nano-moteurs qui apparaissent depuis les années 1990 semblent laisser envisager la création de nanorobots plus sophistiqués dans les années ou décennies à venir.
Certains prospectivistes envisagent même une convergence (dite «NBIC») des technologies de miniaturisation, informatique, biologie et communication.
Une tendance pourrait être celle du développement de moteurs biologiques comme sources d'énergie, qui utiliseraient par exemple des bactéries comme Serratia marcescens appartenant au genre Serratia, capable de consommer de l'énergie chimique trouvée dans son environnement et utilisable pour actionner le dispositif robotique.
Les biorobots pourront aussi être directement contrôlés par des stimuli tels que le chimiotactisme ou la galvanotaxie.
Des connexions sans fil (par exemple de type Wi-Fi dans les réseaux domotiques) vont rapidement augmenter la capacité de communication des microrobots avec leur environnement, ce qui pourrait leur permettre de réaliser des tâches plus complexes et plus coordonnées.
En 2008, on arrivait à sommairement orienter et commander (par exemple pour les faire s'assembler par deux ou par quatre et à distance 2 ou 4 microrobots rudimentaires plus fins que le diamètre d'un cheveu
Conditions spécifiques au développement de la microrobotique
Le développement des microrobots implique de mieux comprendre et maîtriser certains phénomènes physiques en jeu à ces échelles, car un micro-robot est soumis à des forces qui prennent une grande importance aux échelles micrométriques et qui ne perturberaient pas un objet de taille plus importante;
effets plus exacerbés et brutaux de la chaleur solaire ou du froid, de la condensation, etc.).
La microrobotique inclut l'étude des procédés de fabrication (micro-systèmes, voire nano-système, dont micro- ou nanoélectronique) nécessaires aux éléments de très petite échelle.
La biomimétique est une des disciplines qui inspire la microrobotique,
Micro-mécanique
Elle doit permettre au robot de se mouvoir et interagir avec son environnement, avec par exemple:
Des interfaces haptiques, qui permettent au robot d'adhérer à un robot, et éventuellement de saisir des objets, de s'assembler à un autre microrobot, ou de s'ancrer à un substrat;
des micro-gyroscopes ou dispositifs alternatifs remplissant des fonctions proches sont recherchés;
des modes de déplacements innovants; Par exemple, comme le font des gerris, des microrobots peuvent déjà se déplacer sur l'eau en profitant de la tension superficielle de ce "substrat" liquide. On tente aussi d'imiter les ventouses des geckos, de manière à permettre à un robot de plusieurs grammes ou dizaines de grammes de marcher au plafond ou sur n'importe quel support (Programme Geckohair du Nanolab du Carnegy Mellon university). Des étudiants travaillent à des systèmes d'adhésion s'adaptant à divers degrés de pente, permettant une marche suspendue (au plafond, sous une feuille...).
Biomimétique
Les microrobots sont encore souvent très fragiles et peu résilients car leur fonctionnement reposent souvent sur des composants rigides (dans leurs ailes, pattes ou nageoires, dans leurs organes de perception de l'environnement, et dans leurs systèmes internes de transmissions et/ou d'actionneurs. Une des sources d'amélioration de cette robotique est la Nature elle-même, qui au cours de l'évolution a testé de très nombreux mécanismes et comportements, dont certains inspirent les roboticiens. Imiter le fonctionnement des réseaux de neurones et des centres nerveux et des générateurs centraux de la moelle épinière d'animaux primitifs permet déjà d'imiter certains mécanismes tels que marche, natation, course, reptation. Les groupes de muscles sont remplacés par des servomoteurs, mais qui sont animés en reproduisant les mouvements et le rythme de la marche, nage, reptation ou la course selon les impulsions distribuées aux microcircuits informatiques, parfois conçus pour imiter le système nerveux.
L'imitation est parfois plus poussée. Par exemple:
en 2010, le Nanolab travaille à identifier et reproduire certaines molécules colloïdales très adhésives synthétisées par des animaux (escargots, limaces, certains coléoptèrespeuvent fortement mais provisoirement adhérer à un support grâce à de telles molécules). Il développe une instrumentation adaptée à la mesure des performances de ce type d'adhésif. Il a aussi produit un petit robot en forme de tank, muni de chenilles adhésives, pouvant grimper sur des murs en s'y collant; Il a enfin également développé des micro-Fibrilles Adhésives permettant une adhésion renforcée sur un plan non horizontal;
en 2010, un robot inspiré de la salamandre évolue facilement d'un milieu aquatique à terrestre,; Un poulet peut continuer à courir de manière réflexe alors qu'il a la tête coupée, ce qui montre que la colonne vertébrale et sa moelle épinière comportent les centres moteurs essentiels;
des robots (salamandre ou serpent) imitent la reptation. Sur ce principe, Joseph Ayers (Northeastern University à Boston) a également développé des robots qui imitent les mouvements de la lamproie et du homard;
dans les années 2020-2025, dans le domaine des robots imitant des insectes volants, des progrès sont faits avec la création de muscles artificiels basés sur:
- des actionneurs piézoélectriques;
- des actionneurs diélectriques en élastomère (DEA);,
...alors que les batteries et unités de puissance progressaient également de même que la robustesse du micro-robot face aux collisions légères, ou aux impacts de gouttes d'eau en cas de pluie ou d'embruns.
début 2025, un micro‑robot de 750 mg réalise un vol stationnaire de 1 000 secondes (100 fois plus longtemps que les modèles antérieurs), suit des trajectoires complexes avec moins d’un centimètre d’erreur, vole à plus de 30cm/s, et atteint une vitesse ascensionnelle de 1m/s. Doté d'un rapport portance‑poids de 2,2, il peut faire des doubles retournements à une vitesse de rotation supérieure à celle des insectes les plus rapides. Son endurance, sa précision et son agilité sont comparables à celles de certains insectes. Cette même année 2025, une autre équipe présente un robot nageur centimétrique, autonome et très maniable, nageant à 5,1cm/s, tournant à 195°/s et pouvant se faufiler dans des environnements encombrés (dans les algues par exemple, grâce à deux nageoires pectorales souples et millimétriques, animées par des ondes de flexion générées par un unique actionneur électrohydraulique par côté, fonctionnant sous 500 V pour une consommation de 35 mW. Il peut pousser des objets plus de 16 fois plus lourds que lui;
en 2026, alors que la robotique molle peinait encore à se développer, et alors que l'impression 3D de polymères complexes progresse, la microrobotique aérienne semble avoir fait un bond (en laboratoire à ce stade): un micro-robot «entièrement en polymère résistant, pesant 185 milligrammes (soit le poids d'un confetti ou d'une goutte d'eau à peine visible), alimenté par un actionneur de flexion électrostrictif (un matériau qui se courbe sous l'effet une tension électrique) qui entraîne directement des ailes ici configurées en forme de cône, sans transmission» a été produit. Ce micro-robot volant ne contient aucune des pièces mécaniques rigides traditionnellement responsables de la fragilité des micro‑drones à battement d'ailes. Sa densité de puissance est de 1 600 watts/kg, l'angle de flexion des ailes est de 136° à 110 hertz, ce qui offre à ce micro-engin un rapport portance/poids de 3,0 et un rapport portance/puissance de 8,3 millinewtons par watt à 30 hertz, pour une efficacité énergétique de l'actionneur est d'environ 5,7%. Ce design et ce fonctionnement —inédit à cette échelle— permet une prise de vol autonome (il décolle sans aide à une vitesse moyenne verticale de 40 centimètres par seconde) puis peut avoir des mouvements amples et rapides associés à une excellente efficacité de vol, outre une résistance exceptionnelle aux impacts sévères (chocs violents, écrasement complet… dont le robot se relève pour reprendre son vol). À ce stade, l'actionneur du robot perd une part de son énergie quand la charge électrique accumulée se dissipe dans l'électrode au moment où la tension est coupée. En ajoutant un petit circuit récupérant cette charge, cette perte serait diminuée, et l'actionneur plus efficace. Une autre partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur dans les électrodes encore trop résistantes (les améliorer permettrait de limiter ce gaspillage). La puissance de l'actionneur pourrait aussi augmenter en mettant davantage de matériau actif dans sa structure ou en remplaçant certaines couches par des matériaux plus légers et plus rigides. La tension électrique pourrait être augmentée en empilant plusieurs films plus fins, ce qui permettrait d'utiliser des composants électroniques courants, plus légers et faciles à intégrer. On peut encore optimiser la forme des ailes et/ou ajouter plusieurs paires d'ailes, pour rendre le robot plus agile. Pour le rendre entièrement autonome, il faudra encore lui ajouter des capteurs, un microcontrôleur et une source d'énergie embarquée (des solutions hybrides sont envisagées, comme remplacer une partie de la structure par un élément photovoltaïque souple et une batterie flexible, afin d'alimenter le robot sans l'alourdir). Selon ses concepteurs, un nouveau paradigme s'ouvre, par exemple pour des véhicules aériens ou subaquatiques miniatures résilients en environnements confinés et/ou hostiles, tout en conciliant une nouvelle forme de simplicité mécanique, d'efficacité énergétique et de robustesse structurelle, jusque‑là inatteignables selon les concepteurs de ce mini-robot.
Mais une performance qu'on est loin de savoir reproduire est la capacité des systèmes vivants à cicatriser, s'alimenter et se reproduire, capacités qui posent par ailleurs des questions éthiques nouvelles, aux limites du champ de la bioéthique.
Risques et limites
Un des risques induits par la biomimétique est que des robots ressemblants trop à des animaux soient confondus avec leurs modèles et chassés par de vrais prédateurs.
Micro-électroniques
Les microprocesseurs permettent l'exécution de logiciels informatiques donnant son autonomie au robot. Des microprocesseurs à très faible consommation sont nécessaires pour les microrobots, car ils doivent rester légers et ne peuvent pas emporter avec eux une source importante d'énergie.
Biomécanique
Des chercheurs ont réussi à animer un robot, ou plus précisément à faire réagir le robot à des obstacles ou à la lumière grâce à des cultures de neurones de rats.
Micro- ou nano-capteurs
Ils doivent permettre au robot de se situer (ou de le situer) dans son environnement;
Ce sont par exemple des cellules réagissant à la lumière, des capteurs de température, pression, ondes, des antennes radio, etc. voire une micro-caméra.
Usages possibles
On espère qu'ils puissent accomplir automatiquement des tâches dangereuses, pénibles, répétitives ou impossibles pour les humains (dans de petits espaces, dans le vide), soit des tâches plus simples mais en les réalisant mieux que ce que ferait un être humain.
Les prospectivistes imaginent qu'ils puissent être utilisés comme
robot industriel et technique (capable par exemple de construire de très petites pièces ou mécanismes, de diagnostiquer ou réparer l'intérieur d'une machine sans la démonter, d'inspecter une tuyauterie par l'intérieur, etc. On les imagine éventuellement capables de travailler dans le vide ou en l'absence d'air, etc.)
robot aspirateur ou ménagers plus petits et plus discrets que ceux qui existent actuellement
robot ludique (robots pédagogiques à programmer... Pour l'instant, ils n'existent que sous forme de jouets à l'effigie de robots, mais qui n'en sont pas eux-mêmes) ou robots pédagogiques de type BEAM (acronyme de «Biologique Électronique Esthétique et Mécanique») sont des robots peu intelligents, sans microcontrôleur ou programme embarqué d'aucune sorte; Un ressort ou un simple élastique peuvent être une source d'énergie mécanique pour les petits projets expérimentaux.
Robot médical ou d'assistance médicale. un micro-robot pourrait peut-être un jour opérer dans un organisme vivant.
micro-sondes spatiales ou micro-robots à envoyer dans l'espace pour économiser le volume occupé et la charge à emporter dans l'exploration spatiale
Autonomie
Pour être autonome, le micro-robot doit disposer:
de capteurs suffisamment efficaces (micro ou nanocapteurs)
d'une autonomie énergétique qui nécessite des micro-piles performantes, une faible consommation d'énergie ou une capacité à trouver et exploiter une source externe d'énergie (solaire, faisceau micro-onde, source d'hydrogène alimentant sa pile à hydrogène, capacité biomimétique à extraire de l'énergie de la matière organique.. ). Un moyen d'économiser de l'énergie est de faire en sorte que les différentes fonctions d'un microrobot ne soit activées que lorsque cela est nécessaire, et de manière optimale. Le reste du temps elles sont mises en veille, ce qui ne l'empêche éventuellement pas de se déplacer de manière passive (emporté par le vent, le courant, un véhicule..)
d'un système d' intelligence embarquée (individuelle ou collective dans le cas de robots aux fonctions complémentaires travaillant de concert, à la manière des fourmis d'une fourmilière) et/ou de communication permettant des interactions ou un pilotage à distance. Le programme d'instructions doit être assez sophistiqué pour répondre à la survenue d'événements simples et de modifications de l'environnement (stimuli) et y répondre (individuellement ou collectivement, comme le feraient par exemple des fourmis dans une fourmilière) par réactions appropriées.
Divers auteurs de science-fiction et de cinéma utilisent dans leurs romans, nouvelles ou films des micro voire des nanorobots, par exemple sous forme de micro-drones.
↑J Colorado, A Barrientos, C Rossi et K S Breuer, «Biomechanics of smart wings in a bat robot: morphing wings using SMA actuators», Bioinspiration & Biomimetics, vol.7, no3, , p.036006 (ISSN1748-3182 et 1748-3190, DOI10.1088/1748-3182/7/3/036006).
↑Lindsey Hines, Veaceslav Arabagi et Metin Sitti, «Shape Memory Polymer-Based Flexure Stiffness Control in a Miniature Flapping-Wing Robot», IEEE Transactions on Robotics, vol.28, no4, , p.987–990 (ISSN1552-3098 et 1941-0468, DOI10.1109/TRO.2012.2197313, lire en ligne, consulté le ).
↑YuFeng Chen, Siyi Xu, Zhijian Ren et Pakpong Chirarattananon, «Collision Resilient Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots With High Agility», IEEE Transactions on Robotics, vol.37, no5, , p.1752–1764 (ISSN1552-3098 et 1941-0468, DOI10.1109/TRO.2021.3053647, lire en ligne, consulté le ).
↑(en) Suhan Kim, Yi-Hsuan Hsiao, Zhijian Ren et Jiashu Huang, «Acrobatics at the insect scale: A durable, precise, and agile micro–aerial robot», Science Robotics, vol.10, no98, (ISSN2470-9476, DOI10.1126/scirobotics.adp4256).
↑(en) Suhan Kim, Yi-Hsuan Hsiao, Zhijian Ren et Jiashu Huang, «Acrobatics at the insect scale: A durable, precise, and agile micro–aerial robot», Science Robotics, vol.10, no98, (ISSN2470-9476, DOI10.1126/scirobotics.adp4256).
