Mou

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3290 (2023) Citer cet article

1712 Accès

9 Altmétrique

Détails des métriques

Les animaux courent vigoureusement sur des terrains variés. Cette robustesse de locomotion laisse perplexe car la vitesse de conduction axonale est limitée à quelques dizaines de mètres par seconde. Si les boucles réflexes délivrent des informations sensorielles avec des retards importants, on pourrait s’attendre à un effet déstabilisateur sur le contrôle sensorimoteur. Par conséquent, une explication alternative décrit une structure hiérarchique de mécanique adaptative de bas niveau et de contrôle sensorimoteur de haut niveau pour aider à atténuer les effets des retards de transmission. Motivés par le concept d'un mécanisme adaptatif déclenchant une réponse immédiate, nous avons développé un système d'amortisseur physique réglable. Notre mécanisme associe un tendon à jeu réglable relié à un amortisseur physique. L'amortisseur de jeu permet d'ajuster la force d'amortissement, le moment d'apparition, la course efficace et la dissipation d'énergie. Nous caractérisons le mécanisme amortisseur de jeu monté sur un robot à pattes contrôlé en mode boucle ouverte. Le robot saute verticalement et planairement sur différents terrains et perturbations. Lors du saut vers l'avant, l'amortissement basé sur le jeu améliore une récupération plus rapide des perturbations (jusqu'à 170 %) à un coût énergétique plus élevé (27 %). Le mécanisme de jeu réglable engage automatiquement l'amortisseur lors des perturbations, conduisant à un amortissement déclenché par des perturbations, améliorant ainsi la robustesse à un coût énergétique minimum. Grâce aux résultats du mécanisme d'amortissement du jeu, nous proposons une nouvelle interprétation fonctionnelle des tendons musculaires redondants des animaux en tant qu'amortisseurs réglables.

En haut : Le déplacement rapide sur des perturbations du sol est un défi. En raison de retards sensorimoteurs pouvant atteindre 50 ms, le système nerveux central a du mal à percevoir et à réagir aux perturbations soudaines du sol1. En revanche, la mécanique intrinsèque du système musculo-squelettique agit comme un ressort amortisseur. Ils produisent une réaction physique et donc immédiate (< 5 ms) au contact de l'environnement. Nous émettons l’hypothèse que l’amortissement de la jambe atténue les perturbations du sol grâce à la production de force adaptative et à la dissipation d’énergie. Le jeu du tendon, associé au mouvement de l'articulation, engage automatiquement l'amortisseur. Cela crée un compromis entre robustesse de la locomotion et efficacité énergétique. En bas : le jeu de l'amortisseur permet un amortissement déclenché par des perturbations. Suffisamment détendu, l'amortisseur ne s'enclenche pas pendant la position et seul le couple basé sur le ressort est produit. Lorsqu'elle rencontre une perturbation, la compression de la jambe augmente encore, supprimant tout le jeu de l'amortisseur, et l'amortisseur s'engage parallèlement au ressort.

Les animaux courent de manière dynamique sur une large gamme de terrains (Fig. 1). Les irrégularités et la souplesse changeante du terrain naturel exigent une capacité d'adaptation rapide et dynamique aux conditions de sol inattendues. Cependant, les retards de neurotransmission des animaux ralentissent la propagation des informations sensorimotrices2, rendant impossible une réponse neuronale jusqu'à 5 à 40 % de la durée de la phase d'appui, selon la taille de l'animal1. La manière dont les animaux sont capables de produire et de maintenir des mouvements hautement dynamiques malgré un retard des informations sensorimotrices est donc une question centrale en neurosciences et en biorobotique1,3,4,5.

Les propriétés mécaniques inhérentes aux muscles facilitent le rejet des perturbations inattendues6,7,8,9. Le tissu musculaire possède des propriétés mécaniques non linéaires, élastiques et visqueuses, qui adaptent instantanément la force musculaire aux changements de longueur ou de vitesse de contraction des fibres musculo-tendineuses. Ces propriétés mécaniques permettent au système neuro-musculo-squelettique de réagir aux perturbations externes sans délai, une capacité appelée « préflexe »10,11.

L'élasticité intrinsèque et son rôle dans la locomotion des jambes ont été étudiés de manière approfondie12,13,14,15,16. Par exemple, les tendons, qui se comportent comme des ressorts en série non linéaires, stockent et libèrent de l'énergie mécanique lors du contact avec le sol12 et améliorent la tolérance aux chocs17. Inspirés par cela, des actionneurs élastiques parallèles et en série ont été mis en œuvre avec succès dans la conception de robots à pattes18,19,20,21, démontrant une robustesse améliorée avec un faible effort de contrôle. En revanche, le rôle fonctionnel que joue l’amortissement dans la locomotion des jambes est moins étudié et compris.