Les chercheurs de Toyota ont créé un drone de la taille d'un insecte
Des chercheurs du Toyota Central R&D Labs ont créé un robot volant de la taille d'un insecte, doté d'ailes battantes et fonctionnant grâce à une technologie d'alimentation sans fil par radiofréquence. Ce drone, décrit dans un article publié dans Nature Electronics, repose sur un récepteur d'énergie radiofréquence affichant une puissance massique de 4900 W/kg.
« Les petits drones ont généralement une autonomie très limitée en raison de leur source d'alimentation. L'objectif de notre récente étude était de surmonter cette limitation. Aujourd'hui, les sources d'alimentation sans contact utilisant des ondes électromagnétiques trouvent des applications pratiques dans divers produits, mais on ne sait pas dans quelle mesure elles peuvent être utilisées dans de petits robots volants »
L'objectif principal de Ozaki et de ses collègues était d'alimenter un robot volant de la taille d'un insecte grâce à une technologie de recharge sans fil sans contact. Le robot conçu par les chercheurs se compose essentiellement d'un actionneur piézoélectrique oscillant, alimenté par une antenne dipôle de 5 GHz.
« Les engins volants de la taille d'un insecte sont des outils utiles pour la communication, l'exploration de l'environnement et l'inspection d'espaces confinés. Cependant, l'absence de batteries légères à haute densité de puissance limite la durée de vol de ces micro-engins volants. Le transfert d'énergie sans fil par ondes électromagnétiques radiofréquence pourrait potentiellement permettre de traverser des obstacles, de diriger et focaliser les ondes, ainsi que de contrôler les véhicules sans pièces mécaniques à l'aide de réseaux d'antennes phasées. Mais l'utilisation du transfert d'énergie radiofréquence a jusqu'à présent été limitée à des véhicules plus grands », indique l'étude.
« L'une des caractéristiques clés de notre robot est le déclenchement très efficace des battements, obtenu grâce à l'utilisation d'un matériau piézoélectrique monocristallin puissant et d'une disposition à faibles pertes, dans laquelle les deux ailes sont tournées l'une vers l'autre, comme des mains qui applaudissent. Cette conception offre un rapport puissance/poids comparable à l'efficacité des insectes vivants »
Un problème majeur auquel sont confrontés les ingénieurs qui tentent de créer des robots miniatures est l'emballement thermique causé par les pertes de puissance. Pour surmonter ce problème, Ozaki et ses collègues ont optimisé la conception du circuit de leur robot, en veillant à ce que les composants générant de la chaleur ne soient pas placés près les uns des autres ni côte à côte.
En outre, les chercheurs ont utilisé un récepteur d'énergie radiofréquence dont la puissance massique est nettement supérieure à celle des batteries lithium-polymère standard de masse équivalente. Cela a considérablement amélioré l'efficacité et l'autonomie du robot.
« Je pense que notre découverte la plus importante est qu'un circuit de l'ordre du sous-gramme peut recevoir et traiter une puissance élevée, supérieure à 1 W, à distance grâce à une onde radiofréquence. Cela indique que non seulement les robots volants, mais aussi divers autres appareils nécessitant une forte puissance pour de petites dimensions pourraient fonctionner sans batteries »
Pour évaluer l'efficacité de leur conception, Ozaki et ses collègues ont mené une série d'expériences. Lors de ces tests, ils sont parvenus à faire décoller en douceur le robot de la taille d'un insecte, sans avoir besoin de batteries ni de fils.
Le robot créé par cette équipe de chercheurs ne pèse que 1,8 g, soit plus de 25 fois moins que les autres micro-véhicules à entraînement radiofréquence développés par le passé. Ainsi, il pourrait s'avérer très précieux à l'avenir pour des tâches complexes consistant à pénétrer dans des fissures, des tuyaux ou d'autres espaces très restreints.
« Dans cet article, nous avons démontré avec succès le décollage. La prochaine étape consistera à combiner cette technologie d'alimentation avec un contrôle de l'orientation, afin de permettre à ce robot de rester en vol stationnaire et de se déplacer librement dans les airs. Nous pensons que c'est techniquement possible, car nous avons déjà réussi à contrôler la position du robot à l'aide d'une alimentation filaire »
Les micro-engins volants (MAV) pourraient être utilisés pour la surveillance de l'environnement, la communication, la recherche et le sauvetage, ainsi que pour l'inspection autonome de zones confinées ou dangereuses. Cependant, les règles encadrant ces appareils se durcissent en raison du risque d'accidents. Par exemple, aux États-Unis, les drones pesant plus de 250 g doivent être enregistrés, et les zones de vol des drones sont strictement limitées.
Le Japon a récemment annoncé que le seuil de poids des petits drones serait abaissé de 200 à 100 g. En particulier, comme l'énergie d'impact d'un engin qui tombe dépend fortement de sa masse, la sécurité des MAV peut être améliorée grâce à la conception et au développement d'appareils légers de la taille d'un insecte.
Les chercheurs estiment qu'un MAV entièrement fonctionnel et non attaché, d'une masse comparable à celle d'un insecte, pourrait être réalisé en optimisant la conception du véhicule et en ajoutant de nouvelles fonctions. Parmi celles-ci figurent l'intégration d'un système de contrôle de vol et l'utilisation d'un système de focalisation/orientation du faisceau pour l'émetteur d'énergie.
