Cette technologie pourrait accroître le catalogue de robots aériens, leur permettant d’opérer dans des espaces restreints et de résister aux collisions.
Les caractéristiques acrobatiques remarquables des insectes les aident à naviguer dans le monde aérien, avec toutes ses rafales de vent, ses obstacles et son incertitude générale.
Si vous avez déjà chassé un moustique de votre visage pour le voir revenir (encore et encore), vous savez que les insectes peuvent être remarquablement acrobatiques et résistants en vol. Ces caractéristiques les aident à naviguer dans le monde aérien, avec toutes ses rafales de vent, ses obstacles et son incertitude générale. Ces caractéristiques sont également difficiles à intégrer dans les robots volants, mais le professeur adjoint du MIT Kevin Yufeng Chen a mis au point un système qui s’approche de l’agilité des insectes.
Kevin Yufeng Chen, membre du département de génie électrique et informatique et du laboratoire de recherche en électronique, a mis au point des drones de la taille d’un insecte avec une dextérité et une résilience sans précédent. Les robots aériens sont propulsés par une nouvelle classe d’actionneurs souples, qui leur permet de résister aux efforts physiques du vol réel. Le chercheur espère que les robots pourront un jour aider les humains en pollinisant les cultures ou en inspectant les machines dans des espaces restreints.
Les travaux de Kevin Yufeng Chen sont publiés ce mois-ci dans la revue IEEE Transactions on Robotics. Ses co-auteurs sont Zhijian Ren, étudiant en doctorat au MIT, Siyi Xu, étudiant en doctorat à l’Université de Harvard, et Pakpong Chirarattananon, roboticien à l’Université de Hong Kong.
En général, les drones ont besoin de grands espaces ouverts car ils ne sont ni assez agiles pour naviguer dans des espaces confinés ni assez robustes pour résister aux collisions dans une foule. « Si nous regardons la plupart des drones aujourd’hui, ils sont généralement assez grands », dit Chen. « La plupart de leurs applications impliquent de voler à l’extérieur. La question est : pouvez-vous créer des robots à l’échelle d’un insecte qui peuvent se déplacer dans des espaces très complexes et encombrés ?
Selon Chen, « Le défi de construire de petits robots aériens est immense. » Les drones de petite taille nécessitent une construction fondamentalement différente de celle des plus grands. Les gros drones sont généralement propulsés par des moteurs, mais les moteurs perdent de leur efficacité à mesure que vous les réduisez. Donc, selon Chen, pour les robots ressemblant à des insectes, « vous devez chercher des alternatives ».
Jusqu’à présent, la principale alternative consistait à utiliser un petit actionneur rigide construit à partir de matériaux céramiques piézoélectriques. Si la céramique piézoélectrique a permis à la première génération de minuscules robots de prendre leur envol, ils sont assez fragiles. Et c’est un problème lorsque vous construisez un robot pour imiter un insecte – les bourdons en quête de nourriture subissent une collision environ une fois par seconde.
Kevin Yufeng Chen a conçu un petit drone plus résistant, utilisant des actionneurs souples plutôt que des actionneurs durs et fragiles. Les actionneurs souples sont constitués de minces cylindres en caoutchouc recouverts de nanotubes de carbone. Lorsqu’une tension est appliquée aux nanotubes de carbone, ils produisent une force électrostatique qui comprime et allonge le cylindre de caoutchouc. Les allongements et contractions répétés font battre les ailes du drone – rapidement.
Les actionneurs de Chen peuvent battre près de 500 fois par seconde, ce qui donne au drone une résilience semblable à celle des insectes. « Vous pouvez le frapper quand il vole, et il peut récupérer », dit Chen. « Il peut aussi faire des manœuvres agressives comme des sauts périlleux en l’air. Et il ne pèse que 0,6 gramme, soit à peu près la masse d’un gros bourdon. Le drone ressemble un peu à une petite cassette avec des ailes, bien que Chen travaille sur un nouveau prototype en forme de libellule.
« Réussir à voler avec un robot à l’échelle du centimètre est toujours un exploit impressionnant », déclare Farrell Helbling, professeur adjoint d’ingénierie électrique et informatique à l’université de Cornell, qui n’a pas participé aux recherches.
« Grâce à la conformité inhérente des actionneurs souples, le robot peut rencontrer des obstacles en toute sécurité sans gêner considérablement son vol. Cette caractéristique est bien adaptée au vol dans des environnements encombrés et dynamiques et pourrait être très utile pour un certain nombre d’applications du monde réel ».
Farrell Helbling ajoute qu’une étape clé vers ces applications consistera à détacher les robots d’une source d’énergie câblée, ce qui est actuellement requis par la haute tension de fonctionnement des actionneurs. « Je suis impatient de voir comment les auteurs vont réduire la tension de fonctionnement pour qu’ils puissent un jour réaliser des vols non attachés dans des environnements réels ».
La construction de robots ressemblant à des insectes peut offrir une fenêtre sur la biologie et la physique du vol des insectes, une piste de recherche de longue date pour les chercheurs. Les travaux de Chen abordent ces questions par une sorte de rétro-ingénierie. « Si vous voulez apprendre comment les insectes volent, il est très instructif de construire un modèle de robot à l’échelle », dit-il. « Vous pouvez perturber certaines choses et voir comment cela affecte la cinématique ou comment les forces des fluides changent. Cela vous aidera à comprendre comment ces choses volent ».
Mais Chen a pour objectif de faire plus que de compléter les manuels d’entomologie. Ses drones peuvent également être utiles dans l’industrie et l’agriculture.
Chen dit que ses mini-aériens pourraient naviguer sur des machines complexes pour en assurer la sécurité et la fonctionnalité. « Pensez à l’inspection d’un moteur à turbine. Vous voudriez qu’un drone se déplace dans [un espace clos] avec une petite caméra pour vérifier les fissures sur les plaques de la turbine ».
Parmi les autres applications possibles, citons la pollinisation artificielle des cultures ou l’exécution de missions de recherche et de sauvetage après une catastrophe. « Toutes ces activités peuvent être très difficiles pour les robots à grande échelle existants », explique M. Chen. Parfois, plus gros n’est pas mieux.
https://news.mit.edu/2021/researchers-introduce-new-generation-tiny-agile-drones-0302
