Équipe CoSTAR NASA JPL

Le DARPA Subterranean Challenge vise à améliorer l'autonomie des systèmes robotisés pour explorer rapidement les environnements souterrains sur Terre et dans l'espace. L'objectif est d'accélérer la recherche de pointe pour les secteurs militaire, commercial et gouvernemental. Pour participer, les équipes doivent développer des systèmes entièrement autonomes pour explorer les vides souterrains dans le but d'une exploration planétaire et d'applications terrestres telles que la recherche et le sauvetage dans les mines, les grottes et après des catastrophes naturelles.

L'équipe CoSTAR est une collaboration entre le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, le Massachusetts Institute of Technology (MIT), le California Institute of Technology (Caltech), le Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) et l'université de technologie de Luleå (LTR) en Suède. Avec une équipe de 60 ingénieurs du monde entier, CoSTAR fait partie des 10 équipes participant au défi Subterranean Challenge de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), composé de 4 étapes sur 3 ans. Le défi comprend trois circuits – Tunnel, Urbain et Grotte – suivis de l'événement final intégrant ces trois environnements. Le prix pour l'équipe gagnante est de 2 millions USD, destinés à financer des projets de recherche futurs.

CoSTAR a terminé deuxième dans le circuit Tunnel et première dans le circuit Urbain. Au moment de la rédaction de cet article, l'équipe se prépare pour le circuit Grotte et l'événement final.

Chaque circuit du DARPA Subterranean Challenge présente des terrains très variés. Certains défis se déroulent sur des terrains accidentés, d'autres dans des conditions de faible luminosité, et certains incluent même des escaliers. Les robots autonomes doivent être capables de naviguer dans ces conditions difficiles, ce qui lors des tests entraîne souvent des chutes et la rupture de pièces critiques. Pour répondre à ces défis, l'équipe CoSTAR devait non seulement être préparée à l'avance avec un système autonome léger et résistant aux chocs, mais aussi être capable d'effectuer rapidement des réparations sur le terrain en cas de défaillance de pièces, tout en itérant rapidement les designs entre les épreuves pour maintenir son avantage compétitif. Une défaillance de pièce sur le terrain pourrait empêcher CoSTAR de terminer le circuit, donc disposer des outils nécessaires pour réagir rapidement était crucial.

CoSTAR collabore avec Boston Dynamics et utilise plusieurs robots Spot prêtés pour la compétition. Les ingénieurs et concepteurs de CoSTAR ont dû concevoir et créer rapidement des composants supplémentaires comme des supports et des boîtiers pour permettre aux robots Spot de terminer les circuits. Auparavant, ils utilisaient du bois, des techniques d'usinage ou des découpeuses laser pour fabriquer ces pièces, mais ils ont opté pour l'impression 3D comme solution idéale pour des itérations rapides et des réparations immédiates des pièces nécessaires. Pour cela, l'équipe a d'abord utilisé une imprimante 3D PLA simple, bien que celle-ci ne pouvait produire que des pièces adaptées au prototypage et non à une production finale. En effet, les pièces n'étaient pas suffisamment robustes pour être utilisées par un robot sur un terrain imprévisible, risquant ainsi de endommager des composants critiques comme le capteur Lidar coûteux situé sur le dessus du robot, nécessitant une protection maximale.

En outre, l'équipe a remarqué que leur imprimante 3D PLA produisait des pièces imprécises avec une mauvaise qualité de surface, entraînant une perte de temps considérable pour le post-traitement. Ce constat a renforcé leur besoin d'un système robuste capable de prototyper rapidement les designs, puis d'imprimer les pièces de production sans les complications du post-traitement fastidieux.

Heureusement, l'équipe avait accès à une imprimante 3D Markforged. Plusieurs membres de l'équipe CoSTAR travaillant pour le JPL, ils étaient déjà familiers avec les capacités des imprimantes 3D Markforged et du logiciel puissant Eiger, connecté au Cloud, capable de produire des pièces légères, robustes et fonctionnelles sans aucune contrainte de géométrie. Cette technologie s'est avérée être un choix solide répondant parfaitement à toutes leurs exigences.

Les supports imprimés sur les imprimantes Markforged se sont avérés surpasser leurs équivalents en aluminium tout en étant beaucoup plus légers. De plus, les pièces imprimées en 3D avec les imprimantes Markforged étaient capables de résister aux chocs et de pouvoir être réutilisées sans défaillance. Un exemple de leur utilisation est une cage imprimée en 3D pour un capteur Lidar d'une valeur de 7 000 $, fabriquée à partir de matériaux renforcés en fibres continues de carbone sur plusieurs imprimantes Markforged. Malgré quelques impacts subis, le capteur Lidar n'a jamais été endommagé.

Pendant la compétition, l'équipe a augmenté le nombre de ses imprimantes Markforged de une à trois, avec l'aide de GovSmart, partenaire de Markforged. En 2020, Markforged est devenu le sponsor officiel de l'équipe, fournissant même une quatrième imprimante. CoSTAR a utilisé ces imprimantes dès les deux premiers défis, les installant dans leurs chambres d'hôtel pour produire des pièces pendant la nuit, prêtes à être utilisées sur le terrain dès le lendemain.

La confiance de l'équipe dans ses imprimantes 3D Markforged était cruciale, car elle passait souvent des nuits entières à concevoir des pièces, espérant les tester et les intégrer dès le matin suivant. Heureusement, les imprimantes 3D Mark Two utilisées par l'équipe ont toujours produit des produits de haute qualité, renforçant ainsi leur performance dans la compétition.

La robustesse des imprimantes Markforged, leur fiabilité et la reproductibilité des pièces produites, ainsi que la capacité de la Digital Forge à créer des pièces fonctionnelles exceptionnelles qui ne nécessitent aucun post-traitement, font de Markforged une technologie de fabrication additive idéale.

Le DARPA Subterranean Challenge n'est peut-être qu'une compétition pour certains, mais pour CoSTAR, il représente bien plus. Pour cette équipe, ce défi marque le début d'un projet ambitieux visant à explorer le sous-sol de la Lune, de Mars et même de certaines lunes de Saturne et Jupiter. En développant les capacités robotiques nécessaires pour ce défi, CoSTAR espère ouvrir la voie à de futures missions du NASA JPL pour explorer les environnements souterrains, afin d'en apprendre davantage sur l'évolution de la vie, l'existence potentielle de vie sur d'autres planètes et les possibilités d'habitat humain dans le futur. La technologie de fabrication additive joue un rôle crucial dans la démonstration que ces objectifs sont réalisables grâce aux nouvelles technologies. 

Markforged est fier d'être à la fois le fournisseur et le sponsor de l'équipe CoSTAR dans cette entreprise ambitieuse.