Vers la 4ème dimension industrielle : de la Conception 4D de pièces imprimées en 4D par l'Industrie 4.0

ou comment l'Industrie se plie en 4 pour relever 4 Défis majeurs du 21ème siècle dès 2021 ! 

2020 se termine et restera dans les annales. Certes, jamais la digitalisation des processus industriels n'aura été aussi rapide du fait d'une pandémie sans précédent : entreprise répartie, visioconférence, ingénierie collaborative, signature électronique, formation à distance, clic & collect, logistique e-commerce, ...

Mais l'essentiel n'est pas là ... En effet, nous changeons de dimension industrielle sur 4 plans technologiques :

• l'Usine devient Industrie 4.0,
• le Bureau d’Étude conçoit en 4D,
• certains Matériaux s'impriment en 4D,
• l'Humanité invente les solutions aux 4 défis du siècle : sauvegarder la terre, l'air, l'eau et le feu.

Tour d'horizon et plongeon dans la 4ème dimension d'une Industrie qui ne cesse de se retrousser les manches ...

De l'Industrie 4.0

Fig. 1 : Développer en 4D les objets du futur : projet d'aile
volante grande capacité - Source : Université TU Delft.

Fig. 2 : Ford modèle T : archétype de la
production industrielle 2.0 des années 1920.

Fig. 3 : Robot ludique Nao : archétype de la
production industrielle 4.0 des années 2020.

Depuis maintenant une décade, l'industrie prend le tournant de la 4ème génération des systèmes productifs, comme suite logique aux 3 premières générations des 2 siècles passés :

• génération 1.0 (1870) : début de l'ère industrielle, où la force artificielle trouve ses fondations dans la machine à vapeur et la mécanisation des tâches simples et laborieuses, le métier à tisser en étant l'exemple emblématique,
• génération 2.0 (1920) : début du fordisme dopé à l'électricité, où la production devient massive et uniforme pour l'accès de tous à des biens de consommation à coût abordable, l'automobile en étant l'objet emblématique - (cf Fig. 2),
• génération 3.0 (1970) : début de la commande numérique généralisée et de l'automatisation, où le technicien d'usine remplace l'ouvrier et où le robot industriel s'invite dans la chaine de production, le smartphone en étant l'avatar emblématique,
• génération 4.0 (2020) : début de l'usine intelligente, où la force artificielle des machines s'allie à l’intelligence artificielle des automates pour délivrer un complexe Qualité/Coût/Délai/Customisation/Service/Logistique aux performances incomparables à un cyber-consommateur toujours plus versatile et volage, avide de nouveautés, de rapidité et de technologies embarquées - (cf Fig. 1) -, le robot ludique Nao en étant alors l'icône emblématique - (cf Fig. 3).

Au cœur de cette évolution 4.0 de l'Industrie, des technologies clefs se développent :

• la méthodologie d'Ingénierie Système rationalise - au sein des Bureaux d’Eudes - le cadre managérial de conduite des projets innovants, méthode désormais largement adoptée par l'industrie logicielle (1980), l'aéronautique (1990), l'automobile (2000), les PME high tech (2010) et maintenant le génie civil (2020),
• les outils d'ingénierie numérique permettent de construire des maquettes paramétriques en 3,5D facilement reconfigurables et partageables à distance, soumettant à de nombreux plans d'expériences virtuelles les jumeaux digitaux des solutions mécatroniques envisagées,
• l'utilisation collaborative de plateformes d'échanges et la production répartie des données d'ingénierie permettent de synthètiser et d'analyser, dans le cloud, les connaissances métier qui en découle,
• l'impression 3D - essentiellement plastique puis métal - réduit drastiquement les temps de mise au point des prototypes et des nouveaux produits,
• l'électronification des fonctions mécaniques barde de capteurs, de lois de commande, d'automatique les cinématiques ... simultanément avec l'apparition de nouveaux champs disciplinaires d'ingénierie tels que la mécatronique, la plastronique, l'optronique, la spintronique, la matériaulogie, ...
• les technologies hertziennes de communication rendent les objets communicants et perpétuellement couplés à des serveurs de données d'exploitation pour plus de maintenance prédictive et de services de maintien en conditions opérationnelles,
• la transitique du e-commerce révolutionne la logistique où de nombreux produits et organes, commandés le matin, sont livrés le soir même,
• les algorithmes de reconnaissance vocale, d'analyse des données, de robotique conversationnelle ... fluidifient les interactions homme/machine.

De la conception en 4D

Fig. 4 : Fusée réutilisable : archétype du produit
industriel mécatronique du futur. - Source : SpaceX.

Fig. 5 : Dès 18 000 av. J.-C., représentation
graphique 2D du monde animal -
Source : Grotte de Lascaux.

Fig. 6 : Le Maitre peintre du peintre
réaliste belge Jan Verhas - Source :
Musée des Beaux-Arts de Gand.
Cliquez l'image pour agrandir.

Fig. 7 : Système de CAO 4D assurée par
les Connaissances pour la conception
réglée de systèmes mécatroniques.

L'industrie conçoit et fabrique en série les produits mécatroniques du futur ... La génération Z des jeunes adultes, née à la fin du 20ème siècle, aura 2 vies : 50 ans de vie professionnelle et 50 ans de vie retraitée qu'elle pourra prendre sur la Lune et que l'on enterra sur Mars au début du 22ème siècle ...

Qui permettra cela ? Forcément l'Industrie du 21ème siècle si elle sait spécifier, dessiner, concevoir, fabriquer, maintenir et recycler intelligemment les produits du futur - (cf Fig. 4).

Depuis Léonard de Vinci, inventeur du Dessin Industriel (1500), Vauban, inventeur du métier d'Ingénieur (1700) et Gaspard Monge, inventeur de la Géométrie Descriptive (1800), l'homme de l'art a toujours souhaité dessiner et représenter ses inventions avant de les réaliser :

• d'abord armé des 2 premières dimensions - X et Y - il tente dès l'âge des cavernes de la Grotte de Lascaux - (cf Fig. 5) - de donner forme graphique à sa compréhension du monde bien avant de convoquer les premiers mathématiciens - à l'instar de Thalès (600 av. J.-C.), de Pythagore (500 av. J.-C.) et de Héron d'Alexandrie (100 ap. J.-C.) - pour élaborer les premiers théorèmes géométriques rationnalisant le calcul des périmètres, des superficies et des volumes, ...
• maitrisant ensuite de mieux en mieux la 3ème dimension - Z - grâce aux artistes exceptionnels de la Renaissance et du mouvement réaliste du XIXème siècle - (cf Fig. 6) -, la révolution industrielle donne ses lettres de noblesse au Dessin Industriel afin de pouvoir spécifier et formaliser les objets à reproduire en série. Il s'agit alors de disposer d'un langage graphique et géométrique commun permettant aux ouvriers, techniciens et ingénieurs de comprendre et d'apprendre la forme fonctionnelle à rendre facilement fabricable industriellement ...
• en attendant l'avènement de l'électronique, s'en suit alors une longue période de 100 années (1860-1960) où peu de choses évoluent dans les Bureaux d’Étude qui voient alors se multiplier planches à dessin, calques, rotrings et règles à calcul, outils préférés des ingénieurs, concepteurs et dessinateurs ...
• 1960 voit l'arrivée timide des premiers ordinateurs graphiques dans les Bureaux d'Etude pour le DAO (Dessin Assisté par Ordinateur) qui s'excerce alors à la représentation électronique 2D des objets industriels,
• 1970 voit les progrès majeurs de la commande numérique et de la FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur) qui commence alors à déplacer en 2 axes les stylos des machines à dessiner les plans et en 3 axes les têtes d'usinage des machines outils,
• 1980 voit l'émergence des progiciels de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) véritablement 3D, d'abord avec les modèles "fil de fer" topologiquement ambigus suivis rapidement des modèles B-Rep surfaciques et CSG volumiques,
• 1990 voit l'émergence des premiers travaux pour la conquête de la 4ème dimension - K - du Knowledge et des Savoirs d'Ingénierie ainsi que l'invention par la société lyonnaise KADE-TECH de l'acronyme KAD/KAM - Knowledge Aided Design / Knowledgge Aided Manufacturing - afin de promouvoir une génération de systèmes digitaux centrés sur la 4D et les Connaissances Métier de conception, succédant ainsi aux systèmes CAD/CAM - Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing - du 2D et du 3D,
• 2000 est l'année charnière où le grand public commence à entendre fréquemment parler - dans les journaux, à la radio, à la télévision - des techniques d'Intelligence Artificielle qui s'invitent dans les processus industriels, les bureaux d'étude, les bureaux des méthodes, les bureaux d'ingénierie,
• 11 septembre 2001 : tout s'arrête. Débutent alors par l'horreur du terrorisme de masse 20 années chaotiques et laborieuses de progrès dans les Bureaux d'Ingénierie - secoués entre temps par la crise financière de 2008 et terminées par la crise sanitaire COVID de 2020 - où sont quand même assimilées et pratiquées les méthodes et les techniques du PLM (Product Lifecycle Management), du réseau Internet et de la CAO paramétrique 3,5D pour une ingénierie plus collaborative, plus répartie et plus structurée,
• 2020 démarre la décade de l'industrialisation de la CAO 4D - X, Y, Z, K - comme déjà suggéré par l'article "Évolutions sémantiques de l'ingénierie assistée par ordinateur : du dessin en 2D à la conception en 5D" annonçant dès 1990 une généralisation du concept de Conception Assurée par les Connaissances - (cf Fig. 7).

La récurrence conceptuelle de ces progrès digitaux vers la 4D est alors facile à décrire :

• 1960 : le BE se dote de la 2D pour générer automatiquement les modèles 1D (ie : les hachures des contours 2D),
• 1990 : le BE se dote de la 3D pour générer automatiquement les modèles 2D (ie : les plans graphiques des volumes 3D),
• 2020 : le BE se dote de la 4D pour générer automatiquement les modèles 3D (ie : les solides géométriques fonctionnels et fabricables des cognitons 4D).

De l'impression 4D

Fig. 8 : Pointes de flèche néolithiques (5000 av. J.-C.). -
Source : CNews.

Fig. 9 : Objet imprimé en 4D prenant progressivement
sa forme finale sous l'influence de la température -
Source : Self-Assembly Lab

Fig. 10 : Objet imprimé en 4D prenant progressivement
sa forme finale sous l'influence de la température -
Source : Self-Assembly Lab

Coté fabrication, les progrès technologiques ne sont pas en reste :

• Initialement, dès l'âge des cavernes, la fabrication était artisanale et conférait à l'objet fabriqué un caractère unique, non industriel, des pointes de flèches préhistoriques - (cf Fig. 8) - à la Grande Pyramide de Gizeh, du plus petit objet artisanal à la plus gigantesque réalisation humaine de l'ère pré-chrétienne, du Fardier de Cugnot (1769) à la Montgolfière des Frères Montgolfier (1783), précurseurs artisanaux de l'automobile et de l'aéronautique.
• L'industrialisation, alors permise par la force artificielle de la machine à vapeur puis du moteur électrique, débouche sur le développement d'une infinité de procédés tous plus originaux les uns que les autres : du travail du métal, du bois, du cuir, du caoutchouc, ... couplé à l'industrie paradoxale de la machine-outil qui produit des méta-machines peu précises fabriquant des machines plus précises essentiellement centrées sur l'usinage soustractif, par enlèvement de matière.
• 1930 voit l'avènement de l'industrie de l'injection plastique où il ne s'agit pas d'enlever - par fabrication soustractive - de la matière mais au contraire d'en ajouter - par fabrication injective - afin de donner forme moulée à l'objet voulu.
• Avec le développement de la commande numérique 2D, des tables à dessiner et à découper, se construisent dans les années 1970 les prémisses technologiques de la fabrication additive 3D : il est alors possible de piloter en 2D la pointe d'un stylo ou d'un outil de découpe pour générer une forme 2D.
• Parallèlement à la fabrication CN 2D émergent - toujours dans les années 1970 - les cristaux liquides, véritables matériaux transformables dont il devient possible de contrôler la forme 2D affichée sur un écran par utilisation d'un courant électrique servant à polariser les cristaux. Débutent également à cette période là les recherches sur les alliages à mémoire de forme.
• Dans les années 1990, de la combinaison de l'industrie plastique, de la fabrication CN 2D et de l'adjonction d'un 3ème axe Z nait la stratoconception : il s'agit, par empilage successif de couches plastiques, de donner une forme 3D à un objet prototype préalablement digitalisé en CAO. Toute sorte de matériaux sont alors expérimentés : papier, carton, bois, plastique, béton, chocolat ... jusqu'au métal dont les grains de poudre microscopiques sont agglomérés par fusion laser,

C'est dans ce contexte en perpétuelle innovation qu’émerge l'impression 4D qui prolonge alors l'impression 3D en fédérant plusieurs concepts et résultats de recherche visant à faire changer de forme un objet 3D une fois imprimé, notamment sous l'effet de la température ou de la lumière - (cf Fig. 9).

Initiées au MIT au début des années 2010, les recherches en impression 4D ont consisté à coupler fabrication additive avec matériaux à mémoire de forme - (cf Fig. 10).

La France terminant brillamment la décade 2020 avec engagement dans la 4D par une soutenance de thèse - ce 18 décembre 2020 à l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard - sur l'art du pliage :

• "Conception basée sur les origamis pour l'impression 4D de structures déployables" - présentée par Bingcong JIAN,

il ne reste plus qu'à imaginer - pour les 10 années à venir - ce que sera la conception 4D d'un objet imprimé en 4D par une usine 4.0.

Conclusion : 4 Défis industriels à méditer en 4D et à plier en 4

Fig. 11 : Planète Terre : à méditer en 4D
durant le 21ème siècle, dès 2021.

Fig. 12 : Bonne Année 2021 !

Tous ces progrès scientifiques et technologiques impressionnants de l'Industrie actuelle ne doivent pas faire oublier les défis majeurs qu'il reste à relever par l'Humanité au 21ème siècle pour préserver ses 4 ressources critiques de la vie :

• la terre : pour laquelle nourrir 10 millards d'habitants sans épuiser les sols ni les doper massivement aux intrants spécifie le 1er défi,
• l'air : pour lequel rester sous la barre des 750 Millards de tonnes de CO₂ ajoutées à l'atmosphère à partir de 2020 constitue le 2ème défi vital si l'on veut contenir le réchauffement climatique à +2°C en 2050,
• l'eau : pour laquelle tous les espoirs sont permis si l'on sait relever le 3ème défi énergétique sous-jacent : extraire de l'onde bleue le deutérium qu'elle contient pour qu'avec 1 g de sel de lithium et 50 litres d'eau de mer par Terrien, il soit possible de produire - en 2050 et sans déchet - la consommation électrique nécessaire à une vie terrestre grâce aux technologies de fusion thermonucléaire,
• le feu : pour lequel, au delà du phénomène sensible de production de lumière et de chaleur qu'il symbolise, il faut y voir tous les bienfaits de l'énergie abondante et dont le 4ème défi sera de la produire proprement et de manière renouvelable.

4 Dimensions dans l'usine, le bureau d'étude et les matériaux pour affronter 4 Défis globaux majeurs : reste plus à l'Industrie qu'à se plier en 4 pour développer en 4D les solutions du futur.

Excellente Année 2021 dans la 4ème dimension de la nouvelle décade qui commence !

2020-2030 : décade de la transformation mécatronique pour tous !

par l'Ingénierie Système Assurée par les Connaissances en 4D et en 5D.

La décade mécatronique 2020 démarre ... source d'emplois, d'espoirs et de progrès techniques.
Avec un regard prospectif à 10 ans, est-il possible d'imaginer - au 1er janvier 2030 - ce que pourraient être
les progrès mécatroniques réalisés par l'Industrie et l'Homme ?

Cet article de synthèse ludique sert donc - à l'instar de la chanson de Patrick Bruel - à se dire "RV dans 10 ans".

Il était une fois le 1er Janvier 2030, Jean - Ingénieur Système - ...

Fig. 1 : Interface neuronale.
Source : Santé sur le net - Fev 2019.

... qui se réveille et arrête son magnétoscope à enregistrer les rêves ... Relié à l'assistant personnel Alexa v12, le magnétoscope lui indique alors :
- "Bonjour Jean ... Bien dormi ? ...
- 3 visions de déjeuners au Sancerre cette nuit dans votre rêve ... Votre cave est vide sur cette AOC ... Dois-je commander une bouteille de ce vin au millésime 2023 particulièrement plébiscité sur les réseaux sociaux ?"

- "Oui", répond Jean, "mais avec bouchon connecté et recettes assorties" ...

Puis Jean se dirige vers sa salle de bain où un bain chaud l'attend ... Alexi, son majordome mécatronique en communication télépathique 6G avec le magnétoscope cérébral, a détecté le réveil imminent du maitre de maison et a programmé le remplissage automatique de la baignoire à la bonne température.

Fig. 2 : Ecran holographique.
Source : PhonAndroüd - Nov 2018.

Se plongeant alors dans l'eau tiède, Jean démarre la découverte des nouvelles du jour, les yeux rivés au plafond. L'écran holographique 3D vient de s'allumer à la détection de sa présence dans le bain : "Aujourd'hui 1er Janvier 2030, pas de voitures brulées pour la St Sylvestre car on ne jalouse plus son voisin, les automobiles étant désormais majoritairement opérées par la municipalité qui organise les déplacements urbains individuels en partenariat avec BlaBlaScooter et BlaBlaDrone. Pas de grèves SNCF non plus pour les régimes spéciaux des retraites car les trains savent maintenant rouler seuls. Enfin, pas de coupures sauvages d'électricité car l'hydrolyseur personnel de votre jardin sait transformer le vent de la nuit et la lumière du jour en une confortable réserve d'hydrogène pour la pile à combustible domestique de votre maison, pile qui peut désormais recharger en continu la flotte familiale de vos gyropodes et chauffer électriquement la maison."

Une heure après s'être relaxé dans sa salle d'eau, sortant du bain, Jean voit alors arriver sur son mico-héliport de jardin le drone de livraison de La Poste qui vient d'apporter sa bouteille de Sancerre ...

L'alliance de la mécanique, de l'électronique et de l'informatique temps réel

Fig. 3 : Centre d'usinage moderne,
archétype du système mécatronique.

Contrairement à certaines prédictions qui annoncent un 21ème siècle exclusivement digital et immatériel, le nouveau millénaire sera en fait mécatronique - (cf Fig. 3).  Il démarre par l'amélioration foudroyante des systèmes industriels complexes mécatroniques couplant à la fois mécanique de précision, électronique numérique & quantique et informatique temps réel.

L'architecture de chaque système mécatronique comprend 3 composants majeurs :

• un sous-système structural à dominante mécanique et énergétique, fournissant squelette et muscles pour assurer une cinématique contrôlée et les mouvements permettant d'agir sur le monde,
• un sous-système de commande à dominante électronique et automatique, embarquant l'intelligence de la machine, couplée à de nombreux capteurs et à des lois de commande pour réguler les mouvements du système structural et s'adapter aux situations,
• un sous-système d'interfaces IHM et IMM à dominante ergonomique et cobotique, permettant l'interaction avec les êtres humains utilisateurs et les machines connexes pour anticiper et répondre à leurs besoins d'échanges et de pilotage.

Pour améliorer les systèmes mécatroniques de la décennie à venir, les progrès technologiques à l'horizon 2030 des composants constitutifs seront de diverses natures :

• p1 : le "métal liquide à température ambiante" permettra, à l'aide de la Fabrication Additive Métallique (FAM), de distribuer dans l'espace la poudre métallique fusionnée par laser là où les contraintes mécaniques le commandent afin d'aboutir à des pièces robustes, légères et facilement recyclables - (cf Fig. 4),
• p2 :

  

  Fig. 4 : Fabrication Additive Métallique ... ou la
  maitrise du "métal liquide à température ambiante".
  
  

  la pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène - alimentée par 2 réservoirs distincts : l'un de silane l'autre d'eau, afin de produire, de manière compacte, sans risque cryotechnique ni explosif, l'hydrogène à la demande - transformera l'oxygène de l'air en puissance électrique sans déchet ni émission de CO₂,
• p3 : les capteurs de paramètres d'état de système, avec notamment la généralisation du lidar détectant - à l'instar du radar mais à l'aide d'un laser - tout objet sur la trajectoire d'un système mécatronique en mouvement (ie : voiture, camion, bus, navette, avion, droïde, ...) nourriront en permanence les calculateurs temps réel hébergeant les lois de commandes - (cf Fig. 5),
• p4 : les systèmes productifs de l'usine du futur et de l'industrie 4.0, tirés par les progrès de la cobotique - nouvelle discipline de coopération entre l'ouvrier et la machine et des machines entre elles - ainsi que par les avancées de l'économie circulaire pour le recyclage des matières premières inscriront leurs progrès dans des objectifs industriels d'éco-production et d'éco-conception,

  

  Fig. 5 : Image lidar d'une automobile autonome.
  Source : Velodyne.

• p5 : les nouveaux calculateurs quantiques - consommant et générant des qbits - permettront de paralléliser la résolution de problèmes décisionnels complexes et hautement combinatoires,
• p6 : les algorithmes de machine learning et d'apprentissage automatique - consommant et générant des kits (knowledge digits) et des cits (certitude digits) - permettront aux systèmes mécatroniques d'améliorer sans cesse leurs comportements spatio-temporels en fonction de l'environnement rencontré (ie : ajustement de trajectoires, réflexes adaptatifs, ...),
• p7 : les algorithmes de reconnaissance automatique de la parole pour la commande vocale et le dialogue synthétique multi-langues entre êtres humains et avec les machines fluidifieront l'interaction linguistique et la compréhension mutuelle.

Le lendemain, Jean se prépare à aller au travail ...

Fig. 6 : Igloo lunaire de l'ESA.
Source : European Space Agency.

... en commandant son taxi-robot ... Les véhicules ont désormais été chassés des centres-villes et le stationnement des véhicules privés a disparu des cités.  A la place officie une noria de navettes et de véhicules électriques municipaux autonomes qui transportent Jean "à la demande" à l'adresse de son entreprise.

Il est Ingénieur Système chez AIRBUS Lunar Systems (ALS), en charge de la conception de la première génération d'imprimantes 3D innovantes qui va imprimer les igloos lunaires destinés à abriter en 2040 le retour de l'Homme sur la Lune pour sa colonisation - (cf Fig. 6).

Il utilise pour cela son nouveau logiciel web de CAO 4D qui génère automatiquement des modèles géométriques 3D de structures mécaniques à partir de bases de connaissance et de règles métier.  Le nombre d'options de conception étudiées est très grand et de nombreuses solutions topologiques de pièces fonctionnelles et fabricables lui sont proposées.

Fig. 7 : Système de CAO 4D assurée par les Connaissances
pour la conception règlée de systèmes mécatroniques.

Tandis que les règles métier utilisées par Jean avec son logiciel de CAO 4D assurée par les connaissances ont été patiemment extraites manuellement de l'expérience métier d'ALS en fabrication soustractive de pièces, divers algorithmes de CAO 5D commencent à ausculter ses prises de décision en Ingénierie Système d'imprimantes lunaires et de nombreuses bases de données métier en open data sur la toile.  Ces algorithmes inductifs de CAO 5D génèrent alors automatiquement les premiers modèles déductifs de CAO 4D fondés sur les meilleures règles métier du moment, rendant ainsi Jean apte à exploiter rationnellement la mémoire métier d'ALS constituée de ses succès et de ses échecs passés en conception - (cf Fig. 7).

Entretemps, le grand projet mécatronique ITER annonce la réussite d'un premier plasma thermonucléaire d'efficacité énergétique Q supérieur à 1 et d'une durée supérieure à 10 minutes, ouvrant ainsi tous les espoirs possibles vers l'énergie électrique propre pour tous à l'horizon 2050 - (cf conf. Agora ECL).

Transformer mécatroniquement l'économie pour la sobriété matérielle

Dans le cadre de la transition énergétique où il devient urgent de décarboner l'économie, l'Humanité continue d'évoluer - lentement mais surement grâce aux progrès techniques de la "transformation mécatronique pour tous" - vers la sobriété matérielle.

Il s'agit alors de développer les concepts, les méthodes, les outils CAO 4D et 5D, les capacités de l'Ingénierie Système pour inventer les produits mécatroniques sobres du futur, "mieux faits avec moins de ressources matérielles et plus d'intelligence collective" :

• moins d'énergie ... par les technologies "bilan basse énergie" (ie : LED, BLE, pompe à chaleur, ...),
• moins de matériaux ... par la fabrication additive industrielle (ie : plastique et métal),
• moins de déchets ultimes ... par le recyclage des matériaux de l'économie circulaire (ie : cycles courts, production locale),

avec pour conséquence le développement des nombreux emplois nouveaux et métiers du futur, comme déjà spécifiés dans l'article suivant :

• "Pour la croissance économique par la décroissance matérielle".

Conclusion

Fig. 8 : Droïde Atlas de la
société Boston Dynamics.

En 2020, à l'heure où la société américaine Boston Dynamics présente Atlas, premier droïde apte à réaliser un saut périlleux arrière (cf Fig. 8) ... peut-on imaginer des réalisations emblématique à l'horizon 2030 pour résumer les progrès attendus de la "transformation mécatronique pour tous" ?

Risquons-nous alors à quelques propositions futuristes :

• le drone livreur de pizzas et de médicaments dans le jardin,
• le droïde protocolaire d'ubiquité spatiale,
• l'entraineur mécatronique de tennis de Jean,
• le taxi volant sans chauffeur,
• le gyropde urbain autonome municipal,
• le robot desherbeur sans pesticide,
• l'imprimante 3D d'igloos lunaires,
• le gratte-ciel mécatronique anti-tremblement de terre,
• le drone sentinelle garde du corps,
• le réacteur thermonucléaire ITER opérationnel,
• le bâtiment thermos à pompes à chaleur et à vide intégrées,

• 

  Fig. 9 : Drone modulaire Tundra.
  Source : société Hexadrone.

  le coeur articifiel industriel,
• l'interface neuronale de commande télépathique,
• le droïde infirmier transporteur de malades, 
• le drone ambulancier transporteur d'organes en urgence,
• la Tesla Modèle 5 à pile à combustible au silane pour 1000 km d'autonomie,
• le robot amphibie d'exploitation des fonds marin,
• le nettoyeur automatique de déchets océaniques et spatiaux,
• le nettoyeur urbain automatique de voiries,
• le nettoyeur automatique de sols domestiques,
• le droïde pompier et sauveteur en situations dangereuses,
• ... et aussi (extension - à partir du 20 janvier 2020 - de la liste des prévisions mécatroniques TECHNICA)
• le véhicule "électrohydrogène" rechargeur du réseau électrique lors des pics de courant domestique,
• le nettoyeur mécatronique de panneaux solaires,
  
• ...

Autant de prédictions technologiques spéculatives pour certaines, irréalistes pour d'autres ... mais permettant de se donner "RV dans 10 ans" ... afin de vérifier celles qui seront devenues réalités mécatroniques économiquement viables et celles qui seront restées en impasse technique, sans lendemain aux cotés de celles évidentes en 2030 mais non encore perçues en 2020.

Bonne Année mécatronique 2020, en attendant la transition "hydroélectrogène" de 2030 !

Pour la croissance économique par la décroissance matérielle

Comment la révolution mécatronique du 21ème siècle va porter les emplois et les espoirs de demain ...

Le monde se transforme. Les technologies progressent. Le tissu économique évolue. Les machines s'améliorent. Les jeunes entreprennent sans retenue. La Planète se réchauffe. Les applications énergétiques de l'hydrogène se préparent à remplacer les énergies fossiles. La population terrestre dépasse les 7 milliards d'habitants. Les citoyens s’interrogent. Les politiques naviguent à vue. L'Humanité bascule dans le siècle de la mécatronique. La révolution "D5&co" est en marche ... 
Éléments d'analyse et de perspective pour les emplois et les espoirs de demain ...

 

Contexte industriel mondial du 21ème siècle

Il est à prévoir que le 21ème siècle verra un ensemble de mutations technologiques conséquentes dans les sociétés humaines développées, notamment :

• m01 : la généralisation des véhicules autonomes électriques (ie : dromobiles) avec pour applications :
  • le développement

    

    Fig. 1 : Navette autonome NAVYA.

    des transports en commun individuels (ie : taxis autonomes) - cf Fig. 1 - pour le déplacement de personnes,
  • le déplacement terrestre automatisé de hub à hub de marchandises (ie : camions automatisés),
  • les livraisons nocturnes automatiques et silencieuses des magasins citadins,
• m02 : la généralisation de véhicules aériens autonomes (ie : drones aériens) - cf Fig. 2 - avec
  pour applications :
  • la livraison du dernier kilomètre facilitée,

    

    Fig. 2 : Drone modulaire TUNDRA.

  • la livraison rapide de colis urgents ne pouvant s’accommoder des embouteillages (ex : organes vivants, sang, ...),
  • le taxi du ciel,
  • les pompiers du ciel en essaims de drones,
• m03 : la généralisation de véhicules amphibies autonomes (ie : drones navals) - cf Fig. 3 - avec pour applications :
  • le déplacement autonomes de personnes sur l'eau,
  • le déplacement naval automatisé de marchandises,
  • la pèche télépilotée et/ou automatisée,
  • l'exploitation robotisée des fonds marins,

    

    Fig. 3 : Drone amphibie IBUBBLE.

• m04 : la généralisation des droïdes d'assistance aux personnes - cf Fig. 4 - avec pour applications :
  • le nettoyage domestique assisté et/ou automatisé,
  • la tonte automatique du gazon et le désherbage robotisé - cf Fig. 5 -,
  • l'électroménager communiquant et intelligent,
  • l'assistant vocal domotique,
  • les robots conversationnels du e-commerce,
  • le droïde d'assistance et de maintien à domicile des personnes âgées,
  • le clone mécatronique de représentation diplomatique,

    

    Fig. 4 : Droïde traducteur C-3PO
    célèbre de la saga STAR WARS.

• m05 : la généralisation des équipements domotiques des bâtiments intelligents - domestiques et industriels - avec pour applications :
  • la gestion optimale de l'énergie et de l'empreinte carbone du bâtiment,
  • le stockage énergétique électrique durant la nuit (ie : chauffe-eau, hydrolyseur, machine à glaçons, ...),
  • le nettoyage industriel automatisé - cf Fig. 6 -,
• m06 : la généralisation de la production d'énergies décarbonées avec pour applications :
  • le développement de la filière hydrogène (ie : réacteur à fusion et pile à combustible),
  • le développement des énergies renouvelables

    

    Fig. 5 : Robot desherbeur NAÏO.

    (ie : hydraulique, solaire, éolien, biomasse, géothermie, ...),
• m07 : la généralisation des robots industriels de production et de manipulation avec pour applications :
  • la production de formes et de volumes multi-process de plus en plus complexes,
  • la gestion automatisée des flux matière dans l'usine,
  • la surveillance télépilotée/automatique des entrepôts,
  • le contrôle online intégré à chaque étape de production,
  • l'ouverture 24/24 des magasins citadins,
• m08 : la généralisation de l'exploitation de l'espace avec pour applications :
  • le développement du tourisme spatial pour tous,

  

  Fig. 6 : Robot nettoyeur KÄCHER.

  • le développement de fusées réutilisables - cf Fig. 7 -,
  • l'exploitation minière des astéroïdes,
• m09 : la généralisation des applications de bio-mécatronique de l'"Homme réparé" avec pour applications :
  • le développement des prothèses et des organes/membres artificiels (ie : cœur artificiel, main artificielle, oreille artificielle, ...),
  • le développement des exosquelettes des paralysés,
  • le développement de matériels médicaux sophistiqués (ie : scanner, IRM, robot de téléchirurgie, ...),
• m10 : la généralisation des nouveaux matériaux avec pour applications :
  • le développement des technologies composite et carbone (ie : robustes et légères),
  • le développement du "métal liquide à température ambiante" (ie : poudres métalliques pour fabrication additive) - cf Fig. 8 -,

  

  Fig. 7 : Fusée réutilisable SPACEX.

  • le développement des nano-technologies (ie : carbone-graphite, épitaxie, ...),

toutes ces mutations - dénommées par la suite "Révolution D5&co" (dromobile/dronautique/droïde/domotique/décarbonique/robotique/spatial/bionique/matériaux) - nécessitant le développement des connaissances, des compétences et des talents pour la réalisation de composants et d'objets mécatroniques de plus en plus pointus en petites, moyennes et grandes séries.


De manière générale, la Révolution D5&co suppose le développement massif :

• de la robotique / cobotique domestique et industrielle,

  

  Fig. 8 : Fabrication additive
  métallique PRISMADD.
• des capteurs de variables d'état des robots (ie : lidar, vision, accéléromètre, GPS, température, vibration, humidité, ...),
• des algorithmes automatiques de contrôle commande temps réel de la fonction "Puissance" des systèmes mécatroniques,
• des progiciels d'ingénierie numérique "assurée par les connaissances" pour la conception de solutions complexes P10 (ie : Projet/Poc/Prototype/Produit/Program/Pièce/Process/Poste/Plant/Prix).

 

Déjà le 19ème siècle innovait ...

Fig. 9 : La Force Artificielle
de la machine à vapeur.

Quand à la fin du 18ème siècle, James Watt améliore en 1781 la machine à vapeur en inventant le système bielle-manivelle - cf Fig. 9 - et le condensateur séparé, savait-il qu'il dotait l'Humanité de la Force Artificielle ?

Démarre alors au milieu du 19ème siècle la 1ère révolution industrielle qui voit la machine à vapeur remplacée progressivement par une série d'innovations - telles que le moteur à explosion à 2 temps en 1859 puis à 4 temps en 1862 - où le mécanisme bielle-manivelle est toujours conservé tandis que le carburant évolue du solide (ie : bois et charbon) vers le liquide (ie : essence et diesel) et le gaz.

L'électricité n'est pas en reste. Depuis la découverte du phénomènes électromagnétique au début du 19ème siècle, le moteur électrique vient rejoindre dans sa version dynamo de 1886 son cousin thermique dans la panoplie des moyens artificiels pour produire une force contrôlée.

S'en suit alors un développement économique sans précédant qui transforme l'artisanat en industrie, vide les campagnes pour fournir les bras ouvriers aux villes, remplace les aristocrates rentiers propriétaires terriens par des entrepreneurs-inventeurs capitaines d'industrie tels que Michelin, Peugeot, Eiffel, Krupp, Daimler, Diesel, Siemens, Bosch, Edison, Westinghouse, ...

 

Génial et terrible 20ème siècle innovant ...

Fig. 10 : Dégâts de la bombe atomique :
paroxysme de l'Enfer sur Terre.

La première moitié du 20ème siècle est alors le théâtre de tous les progrès mécaniques permis par la Force Artificielle mais aussi de toutes les horreurs possibles que l'Humanité pouvait inventer :

• invention de l'automobile, de l'aéronautique et des fusées,
• développement du train, des plus grands paquebots et des sous-marins,
• 2 guerres mondiales,
• la bombe atomique - cf Fig. 10 -,
• les pires totalitarismes idéologiques : fascisme, nazisme et communisme.

 
Heureusement, le 20ème siècle se termine mieux qu'il n'a commencé :

Fig. 11 : Métaphore de
l'Intelligence Artificielle
de la fin du 20ème Siècle.

• décodage de la double hélice de l'ADN en 1953,
• invention de la Théorie Mathématique de la Communication et de l'octet en 1956,
• invention du circuit intégré en 1958,
• utilisation civile de l'énergie nucléaire par la fission des atomes,
• invention en 1965 de l'hypertexte,
• invention en 1966 d'Arpanet, l’ancêtre d'Internet,
• conquête de la Lune en 1969,
• développement de la carte à puce en 1972,
• sortie de la Chine de la pauvreté économique par l'ouverture au marché en 1980, 
• lancement du CD-ROM digitalisant la musique en 1982,
• démarrage en 1988 de l'éradication volontaire de la polio sur Terre,
• chute du mur de Berlin en 1989 et fin du mythe de l'économie planifiée soviétique,
• invention en 1991 du Bi-Bop, ancêtre du téléphone sans fil,
• décodage du génome humain durant les années 1990 et naissance de la thérapie génique,
• démarrage de l'Encyclopédie collaborative mondiale Wikipédia en 2000,
• 55 ans de paix en Europe avec avènement de l'Union Européenne et de l'Euro.

Porté par le développement de l'énergie électrique, des énergies fossiles, du téléphone, de la radio et de la télévision, le développement économique qui résulte des 30 années succédant à la fin de la 2ème Guerre Mondiale est alors qualifié de 2ème révolution industrielle par certains auteurs [RIF11].

Démarre également un développement sans précédent de l'informatique et de l'innovation digitale qui dotent alors l'Humanité de l'Intelligence Artificielle de la fin du 20ème siècle (ex : moteurs d'inférence logique, réseaux neuronaux, reconnaissance de caractères et de visages, reconnaissance de la parole, web sémantique, big data et deep learning, ...) - cf Fig. 11 -. Émergent alors des entrepreneurs du numérique - à la vision et aux succès mondiaux - tels que Steve Jobs (fondateur d'Apple), Bill Gates (fondateur de Microsoft), Marcel Dassault (fondateur de Dassault Systèmes), Dietmar Hopp (co-fondateur de SAP AG), ...

 

Le 21ème siècle mécatronique innove toujours ...

Fig. 12 : Robot Infirmier : application
médicale de la mécatronique.

Les progrès de la mécanique de précision conjugués à ceux de l'électronique miniaturisée et de l'informatique temps réel permettent désormais d'embarquer l'intelligence dans les machines pour forger les objets mécatroniques mobiles et autonomes du 21ème siècle.

Contrairement à ce qu'il est souvent sous-entendu par l'expression "révolution digitale", le 21ème siècle ne sera pas exclusivement numérique mais verra également l'émergence d'un grand nombre de systèmes et d'inventions matérielles - à caractère physique - mariant intimement les différentes disciplines de la mécatronique.  Citons notamment :

• tous les drones favorisant les déplacements terrestres,

  

  Fig. 13 : Robot Taxi : application
  logistique de la mécatronique.

  aériens et navals,
• toutes les sondes spatiales et rovers divers d'exploration inter-planétaire,
• tous les robots domestiques automatisant les tâches fastidieuses et fatigantes, à commencer par les robots aspirateurs, les tondeuses à gazon, les robots desherbeurs, les robots démineurs, ...
• tous les robots industriels de production manufacturière,
• tous les assistants personnels divers tels que smartphones, traducteurs automatiques, coaches sportifs, robots infirmiers, ...
• toutes les prothèses et équipements d'amélioration de la santé et de réparation de l'Homme.

Fig. 14 : Rover Lunaire : application
spatiale de la mécatronique.

Stimulé par la nécessaire transition énergétique, le 21ème siècle annonce également la révolution hydrogène, vecteur puissant de stockage de l'électricité. 2 progrès majeurs sont attendus pour une énergie abondante et propre pour tous :

• la production centralisée d'électricité par fusion nucléaire : l'investissement actuel le plus emblématique pour la production massive et sure d'électricité nucléaire sans déchet est assurément le réacteur à fusion thermo-nucléaire ITER actuellement en cours de construction en France à Cadarache pour un budget de 20 Milliards d'Euros partagé entre 35 pays (ie : Europe, USA, Chine, Japon, Corée du Sud, Inde, ...).  S'il aboutit au succès scientifique attendu à pleine puissance pour 2035, la production industrielle d'électricité nucléaire sans CO₂ et sans déchet - cf Fig. 15 - pour chaque Terrien pourra démarrer à partir de 2050, couvrant

  

  Fig. 15 : Plasma de fusion thermo-
  nucléaire de deutérium et de tritium.

  avec 50 litres d'eau de mer et 1 g de lithium par personne l'ensemble des besoins énergétiques d'une vie terrestre [BIG18],
• le stockage décentralisé d'hydrogène et la production locale d'électricité par pile à combustible : dans le sillage des progrès attendus de la micro-catalyse destinés notamment à diminuer les coûts de consommation du platine utilisable alors avec parcimonie, la pile à combustible - cf Fig. 16 - produit de l'électricité mobile (par exemple pour un véhicule électrique) par combinaison de l'oxygène de l'air avec l'hydrogène stocké localement tout en produisant pour déchet ultime de l'eau pure. L'hydrogène devient alors vecteur de stockage local de l'électricité produite par les énergies renouvelables nocturnes (ie : éolien) et diurne (ie : solaire) à l'aide d'hydrolyseurs tandis que le stockage stable de l'hydrogène - à température ambiante et sans risque d'explosion - est désormais une question scientifiquement résolue grâce au Silane, analogue siliceux du Méthane.

Fig. 16 : Pile à combustible brulant
hydrogène gazeux et l'oxygène de l'air.
t.

Simultanément, l'industrie numérique progresse et développe un ensemble de technologies d'apprentissage automatisé à partir des données produites par les objets connectés. Ces algorithmes permettent alors de fiabiliser le caractère prédictif des assistances fournies à l'Homme par les objets mécatroniques du futur qui deviennent alors apprenants et adaptatifs (ie : diagnostic médical téléassisté, transports automatiques, traductions automatiques, ...).  En 2017, le champion du monde de go est l'algorithme apprenant AlphaGo.

De nombreux entrepreneurs comprennent déjà la révolution mécatronique "D5&co" en marche et n'hésitent pas à y engager toute leur énergie, les plus emblématiquess d'entre eux étant Elon Musk aux USA (fondateur notamment de Tesla (voiture), Hyperloop (train), SolarCity (énergie), SpaceX (fusée) et Neurolink (interface cerveau/machine)) et Alain Carpentier en France (fondateur de Carmat pour le développement du cœur artificiel fabriquable industriellement).

Espoirs et emplois du futur

Tous ces progrès technologiques annoncés de la mécatronique vont évidemment ouvrir de nombreuses espérances et applications possibles. Citons notamment :

• la production propre d'énergie électrique sans CO₂ et sans déchet,

  

  Fig. 17 : Espoir du futur.

• la téléchirurgie et les techniques d'opérations non invasives,
• l'éradication des difficultés de stationnement dans les villes avec déploiement de norias de taxis automatiques municipaux,
• le taxi logistique du ciel,
• le recyclage amélioré des produits industriels dans le cadre du développement d'une économie circulaire plus efficace,
• le développement optimisé des pièces métalliques par fabrication additive permettant ainsi de déposer la matière là où nécessaire,

  

  Fig. 18 : Ville propre
  sans embouteillage.

• la conquête du 6ème continent spatial avec robots nettoyeurs de l'espace, fusées réutilisables,
  construction de bases lunaires et martiennes,
• le nettoyage automatisé des océans, la pèche automatisée et l'exploitation des fonds marins,
• la culture et la récolte automatiques des terres agricoles,
• le coach sportif mécatronique, entraineur infatigable de tennis,
• le pompier sauveteur télépiloté, apte à intervenir dans les zones de séisme ou à éteindre un incendie sans risque pour le pilote,
• la représentation diplomatique par clone mécatronique d'un individu qui pourra être présent partout dans le monde en utilisant une interface immersive haptique, évitant ainsi de longs et fatiguants voyages consommateurs d'énergie,
• ...

L'ensemble de ces progrès annoncés nécessitera évidemment le développement de nombreux métiers hautement qualifiés, notamment :

• des

  

  Fig. 19 : Designer : métier du futur.

  designers,
• des ergonomes,
• des architectes systèmes,
• des éco-concepteurs,
• des matériaulogues,
• des tribologues,
  
• des chimistes,
• des mécaniciens,
• des électriciens,
• des électroniciens,

  

  Fig. 20 : Roboticien : métier du futur.

• des automaticiens,
• des énergéticiens,
• des informaticiens,
• des opticiens quantiques,
  
• des mathématiciens,
• des data managers,
• des knowledge managers, 
• des mécatroniciens,
• des roboticiens,
• des usineurs,

  

  Fig. 21 : Data manager : métier du futur.

• des intégrateurs,
• des validateurs,
• des logisticiens,
• des biologistes,
• des prothésistes,
• des bio-mécaniciens,

  

  Fig. 22 : Prothésiste : métier du futur.

• des généticiens,
• des qualiticiens,
• des chercheurs,
• des professeurs,
• des formateurs,
• des inventeurs,
• des entrepreneurs,
• ...

Certains dénomment déjà "3ème révolution industrielle" cette convergence des technologies mécatroniques, énergétiques, bio-génétiques et numériques.

Fig. 23 : Croissance économique
par la décroissance matérielle.

Enfin, aboutissement ultime de la Révolution "D5&co", peut-on imaginer l'émergence d'une forme de conscience artificielle au service de l'Humanité afin de lui permettre d'entrer dans une nouvelle ère de sagesse collective dont l'objectif commun sera de résoudre le défi fondamental du 21ème siècle, à savoir : la croissance économique par la décroissance matérielle [SER13] :

• croitre économiquement consistant essentiellement à se former constamment et à développer les connaissances et les métiers nécessaires à l'ère de la mécatronique généralisée,
  • pour que chacun puisse y apporter une contribution et
  • y trouver un emploi,
• décroitre matériellement consistant essentiellement à "faire mieux avec moins", notamment en :
• utilisant moins d'énergie,
• consommant moins de matériaux,
• générant moins de polluants et 
• produisant moins de déchets ultimes,

          tout en sachant :

• utiliser plus d'informations et de connaissances,
• engager plus d'intelligence et de sagesse humaines et
• développer plus d'harmonie sociale et de cohésion pacifiste ?

"Croitre économiquement en décroissant matériellement" est le défi de l'intelligence naturelle du 21ème siècle !

 

 

Épilogue

Fig. 24 : le 21ème siècle : siècle de l'eau
pure de la pile à hydrogène et de la
"Planète Réparée" par la croissance
économique de la décroissance matérielle.

Le dernier livre de l'économiste Daniel COHEN qualifie d'"économie digitale" le nouveau siècle de progrès qui s'annonce ... tellement le terme d'"économie industrielle" du 20ème siècle ne suffit plus à qualifier les mutations socio-techniques en cours [COH18].  Le titre de son dernier ouvrage y voit également une mutation inquiétante ...

A contrario de cette position respectable et prudentielle, cet article se propose d'envisager la posture plus optimiste et plus audacieuse de la "croissance économique par la décroissance matérielle" :

• le 21ème siècle ne sera pas que algorithmique ... mais mécatronique, cette dernière discipline d'Ingénierie Système ayant bien évidement besoin des progrès des algorithmes mais pas que ... Seront également convoqués à la fête du progrès technologique les matériaux, l'hydrogène, l'énergétique, la fusion thermo-nucléaire, la micro-catalyse, l'ordinateur quantique, l'automatique, la biologie, le génie génétique, ...
• le 21ème siècle n'est pas inquiétant comme le voudrait toute

  

  Fig. 25 : Sage du Monde contemplant
  la beauté de la "Planète Réparée".

  projection dans l'inconnu ... mais porteur de millions d'opportunités ... si l'on comprend précocement que la vie professionnelle n'est plus mono-métier-mono-employeur mais un long et constant apprentissage : 
• où l'on changera en moyenne 5 fois de métiers et 10 fois d'employeurs pour réparer la Planète et
• où les jeunes nés à la fin du 20ème siècle changeront tellement le Monde en 50 ans qu'ils prendront leurs retraites sur la Lune et qu'on les enterrera sur Mars au 22ème siècle ...

Fig. 26 : Paix mondiale pour tous par
les progrès annoncés du 21ème Siècle.

Bienvenue dans le siècle de la sagesse intérieure et de la paix mondiale extérieure du Citoyen de l'Univers où l'Homme aura su évoluer plus vite que la mécatronique consciente qu'il aura créée ! 

Excellente Année 2019 à toutes et à tous !

Bibliographie

• [RIF11] : Jeremy Rifkin, "La 3ème Révolution Industrielle", 2012, ISBN 2-9185-9747-3.
• [BIG18] : Bernard Bigot, "ITER, une énergie pour notre avenir", 2018, Conférence inaugurale de l'Ecole Centrale de lyon.
• [COH18] : Daniel Cohen, "Il faut dire que les temps ont changé... Chronique (fiévreuse) d’une mutation qui inquiète", Éditions Albin Michel, 2018 (ISBN 978-2-226-43744-0).
• [SER13] : Patrick Serrafero, "De l'innovation à la routine en conception éco-performante ou de la confrontation des idées pour le client à la vérité de l'ingénieur", Eco-conception, conception et innovation, Revue Marché et Organisations, Éditions L’Harmattan, p. 51-64, (ISBN 2-2965-3319-1).