Des ingénieurs de Stanford ont créé un drone aux « pattes d'oiseau » capable de se poser sur des branches et de transporter des objets
Il n'existe pas deux branches identiques au monde. Elles peuvent différer par leur taille, leur forme et leur texture, certaines peuvent être mouillées, couvertes de mousse ou de jeunes pousses. Et pourtant, les oiseaux peuvent se poser sur presque n'importe laquelle d'entre elles.
Cette capacité a suscité un vif intérêt dans les laboratoires des ingénieurs de l'Université de Stanford Mark Cutkosky et David Lentink, qui travaillent aujourd'hui à l'Université de Groningue aux Pays-Bas. Tous deux ont déjà développé des technologies inspirées des capacités des animaux.
« Il est difficile d'imiter la façon dont les oiseaux volent et se posent sur les surfaces. Après des millions d'années d'évolution, ils rendent le décollage et l'atterrissage si légers, malgré toute la complexité et la diversité des branches d'arbres que l'on peut trouver en forêt »
Des années de recherches sur des robots inspirés des animaux dans le laboratoire de Cutkosky, et sur des robots aériens inspirés des oiseaux dans le laboratoire de Lentink, ont permis aux chercheurs de créer leur propre drone semblable à un oiseau, décrit en détail dans un article de la revue Science Robotics. Lorsque les « pattes » sont fixées à un quadricoptère, leur « prise aérienne stéréotypée », ou SNAG, forme un robot capable de voler, d'attraper et de transporter des objets, et de se poser sur différentes surfaces.
Pour démontrer le potentiel polyvalent de ce travail, les chercheurs l'ont utilisé pour comparer différents types d'agencement des doigts sur les pattes d'oiseaux et pour mesurer le microclimat dans les forêts reculées de l'Oregon.
Dans des études antérieures sur les perroquets, de minuscules oiseaux volaient d'avant en arrière entre des perchoirs spéciaux, tandis que cinq caméras à haute vitesse les filmaient. Sur des perchoirs de différentes tailles et matériaux, dont le bois, la mousse, le papier de verre et le Téflon, se trouvaient également des capteurs enregistrant les forces physiques liées à l'atterrissage, à la ppose et au décollage des oiseaux.
« Ce qui nous a surpris, c'est qu'ils effectuaient les mêmes manœuvres aériennes, quelle que soit la surface sur laquelle ils se posaient. Ils permettent aux pattes de s'adapter à la variabilité et à la complexité de la texture même de la surface »
Ce comportement stéréotypé, observé lors de l'atterrissage de chaque oiseau, explique pourquoi la lettre S de SNAG signifie « stéréotypé ». Comme chez les perroquets, SNAG aborde de la même façon chaque perchoir. Mais, pour tenir compte de la taille du quadricoptère, SNAG s'appuie sur les pattes d'un faucon pèlerin (rapace de la famille des falconidés). Au lieu d'os, il possède une structure imprimée en 3D, dont la mise au point a demandé 20 essais, ainsi que des moteurs et du fil de pêche remplaçant les muscles et les tendons.
Chaque patte dispose de son propre moteur pour avancer et reculer, et d'un autre pour la préhension. Inspiré de la façon dont les tendons traversent la cheville chez les oiseaux, un mécanisme similaire dans la patte du robot absorbe l'énergie du choc à l'atterrissage et la convertit passivement en force de préhension. Il en résulte un embrayage particulièrement solide et rapide, qui s'enclenche en 20 millisecondes. Une fois la branche enserrée, le verrouillage des chevilles de SNAG et un accéléromètre sur la patte droite signalent que le robot s'est posé et déclenchent un algorithme d'équilibrage pour le stabiliser.
Pendant la pandémie de coronavirus, Roderick a transporté l'équipement, dont l'imprimante 3D, du laboratoire de Lentink à Stanford jusque dans la campagne de l'Oregon, où il a aménagé un laboratoire en sous-sol pour des tests contrôlés. Là, il a fait glisser SNAG sur un système de rails qui faisait passer le robot sur différentes surfaces, à vitesse et orientation définies, afin d'observer son fonctionnement dans divers scénarios.
Après avoir installé SNAG sur place, Roderick a également confirmé la capacité du robot à attraper des objets lancés à la main, notamment un mannequin de cible, un sac de grains de maïs et une balle de tennis. Enfin, Roderick et SNAG se sont aventurés dans une forêt voisine pour quelques essais en conditions réelles.
Dans l'ensemble, SNAG a si bien fonctionné que les prochaines étapes du développement porteront probablement sur ce qui se passe avant l'atterrissage, par exemple l'amélioration de la conscience de la situation et du contrôle du vol du robot.
Ce dispositif robotisé a d'innombrables applications possibles, notamment les opérations de recherche et de sauvetage et la surveillance des incendies de forêt. Il peut aussi être utilisé avec d'autres technologies que les drones. La proximité de SNAG avec les oiseaux offre une vision unique de la biologie aviaire.
Par exemple, les chercheurs ont piloté le robot avec deux agencements différents des doigts de pattes : l'anisodactyle, avec trois doigts à l'avant et un à l'arrière, comme chez le faucon pèlerin, et le zygodactyle, avec deux doigts à l'avant et deux à l'arrière, comme chez le perroquet. À leur grande surprise, ils ont constaté que la différence de performance entre les deux est très faible.
Pour Roderick, dont les deux parents sont biologistes, l'une des applications les plus intéressantes de SNAG concerne la recherche environnementale. Dans ce but, les chercheurs ont également fixé au robot un capteur de température et d'humidité, que Roderick a utilisé pour enregistrer le microclimat de l'Oregon.
« La motivation principale de ce travail était en partie de créer des outils que nous pourrions utiliser pour étudier le monde naturel. Si nous avions un robot capable d'agir comme un oiseau, il ouvrirait des moyens entièrement nouveaux d'étudier l'environnement »
Lentink, qui est l'auteur principal de l'article, a salué la persévérance de Roderick dans ce projet, qui s'étend sur plusieurs années.
« En réalité, c'est Will, qui s'est entretenu avec plusieurs écologues à Berkeley il y a six ans, puis a rédigé sa proposition de bourse NSF sur le placement de robots aériens pour la surveillance environnementale, qui a lancé cette recherche. Les travaux de Will se sont révélés opportuns, car XPRIZE a désormais alloué 10 millions de dollars pour relever ce défi de surveillance de la biodiversité des forêts tropicales »
