Robot-thon pourrait ouvrir la voie à des robots et drones sous-marins plus agiles et efficaces
Les robots capables de nager sous l'eau ne sont pas une nouveauté. Par exemple, au début de 2021, Carnegie Mellon a équipé son célèbre robot-serpent de turbines et de propulseurs orientables, pour lui offrir des capacités de sports nautiques. Mais peu de robots peuvent le faire avec l'élégance, la vitesse et la facilité d'un vrai poisson. Et ce n'est pas que les scientifiques aient évité de tenter de créer un robot capable de le faire.
Les robots sous-marins sont utiles pour explorer les objets des grands fonds, des épaves aux nouvelles formes de vie. Cependant, ils présentent certaines limites. Par exemple, ils ont tendance à se déplacer à une seule vitesse, et les opérateurs doivent le plus souvent les mettre à l'eau près de la zone voulue. Les propulseurs de plongée, principalement des scooters sous-marins, sont rapides, mais ils ne peuvent pas s'approcher de ce qui demande un examen plus attentif.
Ce qu'il faut vraiment, c'est un robot sous-marin capable de nager jusqu'à un lieu éloigné, puis de ralentir pour un examen plus minutieux. Mais c'est plus complexe qu'il n'y paraît à première vue.
Des chercheurs de l'Université de Virginie ont trouvé comment construire un engin robotisé capable de faire tout cela, en imitant la rigidité de la queue d'un poisson, et ont découvert et appliqué une belle formule mathématique simple. Le résultat est un robot qui sait accélérer et ralentir presque aussi bien qu'un vrai poisson. Ils ont publié leurs travaux dans Science Robotics.
Le mystère des poissons résolu
« Une queue rigide, c'est comme n'avoir qu'un seul braquet sur un vélo. Vous ne serez efficace qu'à une seule vitesse. Ce serait comme faire du vélo à pignon fixe dans San Francisco : vous seriez épuisé après quelques pâtés de maisons »
Quinn et son collègue de recherche Qiang Zhong ont supposé que les poissons modifient la rigidité de leur queue pour répondre à leur besoin fréquent de changer de vitesse. Malheureusement, il est difficile de le confirmer ou de le mesurer lorsque le poisson nage, de sorte que la rigidité nécessaire pour nager efficacement à différentes vitesses restait inconnue. Les chercheurs ont combiné hydrodynamique et biomécanique pour élaborer un modèle capable d'apporter une réponse et, comme le dit Zhong, de « résoudre un mystère ancien sur la façon dont la rigidité de la queue affecte l'efficacité de la nage ».
La solution de l'énigme s'est révélée étonnamment élégante. « C'est remarquable. Un résultat simple est sorti de toutes ces mathématiques : la rigidité doit augmenter avec le carré de la vitesse de nage », a déclaré Quinn.
Le thon passe le test
Pour vérifier leurs conclusions, les scientifiques ont construit un robot sous-marin semblable à un thon, doté d'un tendon artificiel programmable permettant d'ajuster la rigidité de sa queue selon la vitesse lorsqu'il se déplaçait dans un canal d'essai.
« Notre robot a soudainement pu nager dans une plage de vitesses plus large, en utilisant presque deux fois moins d'énergie que le même robot avec une queue de rigidité fixe. L'amélioration était vraiment remarquable »
Zhong salue leur approche interdisciplinaire : « Nous ne nous concentrons pas seulement sur l'analyse théorique, mais nous proposons aussi un guide pratique pour régler la rigidité. » La stratégie de rigidité réglable proposée par les chercheurs s'est avérée efficace dans des missions de nage réalistes, lorsque le poisson-robot atteignait simultanément une vitesse élevée et une grande efficacité de nage.
Après avoir démontré leur théorie à l'aide du thon réglable, les scientifiques souhaitent transposer cette technologie de queue à des robots aquatiques de la taille d'un têtard à celle d'un dauphin. Quinn et Zhong développent actuellement un robot ondulant inspiré des raies.
« Les poissons ont une grande efficacité de nage sur une large plage de vitesses. La clé de cette performance est leur souplesse, mais en termes de performances, même les poissons robotisés souples ne peuvent pas rivaliser avec les vrais poissons. Nous avons développé un modèle qui explique comment et pourquoi la rigidité réglable affecte les performances. Nous montrons que, pour une efficacité maximale, la tension musculaire doit évoluer avec le carré de la vitesse de nage, ce qui propose une stratégie de réglage simple pour les robots semblables aux poissons. Le réglage de la rigidité peut doubler l'efficacité de nage à des fréquences et vitesses semblables à celles du thon (de 0 à 6 hertz, de 0 à 2 longueurs de corps par seconde). L'économie d'énergie augmente avec la fréquence, ce qui indique que les robots-poissons à haute fréquence tirent le plus grand bénéfice d'un réglage de la rigidité », indique l'étude.
« Je ne pense pas que nous manquerons de projets de sitôt. Chaque animal aquatique que nous avons étudié nous a donné de nouvelles idées pour créer de meilleurs robots nageurs. Et il reste encore beaucoup de poissons dans la mer »
Un jour, les travaux des chercheurs pourraient aboutir à toute une classe de drones capables de se déplacer rapidement vers un lieu éloigné, puis de ralentir pour explorer la zone. Comme le robot-serpent aquatique, cela pourrait servir à l'armée américaine pour inspecter ses navires à la recherche de dommages.
