Un microrobot battant inspiré par la dynamique des ailes des scarabées rhinocéros

4 août 2024 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

La dynamique des ailes des espèces animales volantes a été une source d'inspiration pour de nombreux systèmes robotiques volants. Alors que les oiseaux et les chauves-souris battent généralement des ailes en utilisant la force produite par leurs muscles pectoraux et musculaires, les processus sous-jacents aux mouvements des ailes de nombreux insectes restent mal compris.

Des chercheurs de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse) et de l'Université Konkuk (Corée du Sud) se sont récemment lancés dans l'exploration de la manière dont les insectes herbivores appelés scarabées rhinocéros déploient et rétractent leurs ailes. Les informations qu'ils ont rassemblées, présentées dans un article publié dans Nature, ont ensuite été utilisées pour développer un nouveau microrobot batteur d'ailes capable de déployer et de rétracter passivement ses ailes, sans avoir besoin de moteurs étendus.

'Les insectes, y compris les scarabées, sont théoriquement censés utiliser des muscles thoraciques pour déployer et rétracter activement leurs ailes à la base des ailes, de manière similaire aux oiseaux et chauves-souris', a déclaré Hoang-Vu Phan, l'auteur principal de l'article, à Tech Xplore. 'Cependant, les méthodes d'enregistrement ou de surveillance de l'activité musculaire ne peuvent toujours pas déterminer quels muscles les scarabées utilisent pour déployer et rétracter leurs ailes ni expliquer comment ils le font.'

Les ailes postérieures (c'est-à-dire les ailes arrière) des scarabées ressemblent à des structures pliables en origami, car elles peuvent être soigneusement pliées et rangées sous les élytres (c'est-à-dire une aile antérieure durcie typiquement trouvée chez les scarabées) lorsqu'ils se reposent et être déployées passivement lorsqu'ils volent. De nombreuses études antérieures visant à reproduire la dynamique des ailes de scarabées dans des robots utilisaient donc des structures similaires à de l'origami, sans prêter une grande attention aux mouvements à la base des ailes arrière.

'Cette recherche fait suite à mon travail précédent publié dans Science en 2020, où nous avons découvert la fonction d'amortissement des chocs des ailes arrières des scarabées rhinocéros lors de collisions en vol', a expliqué Phan. 'Lors des expériences, j'ai accidentellement capturé un déploiement complet des ailes en deux phases et je me suis demandé pourquoi le scarabée utilisait une procédure aussi complexe s'il était piloté par des muscles actifs.'

Dans ses examens précédents des scarabées rhinocéros, Phan a observé que ces insectes peuvent utiliser leurs élytres et les forces battantes pour déployer passivement leurs ailes arrières pour le vol. Une fois leur vol terminé et qu'ils atterrissent sur une surface, ils utilisent alors les élytres pour pousser les ailes arrières sur leur corps. Ces deux actions sont de nature passive, car elles n'impliquent pas l'utilisation de muscles thoraciques qui soutiennent le vol des oiseaux et chauves-souris.

'En implémentant ce mécanisme passif dans des robots batteurs d'ailes, nous avons démontré pour la première fois que contrairement aux robots batteurs d'ailes existants qui maintiennent leurs ailes fixes dans une configuration entièrement étendue, notre robot peut replier les ailes le long du corps lorsqu'il est au repos et déployer passivement ses ailes pour décoller et maintenir un vol stable', a déclaré Phan.

Les chercheurs ont exploité les connaissances acquises lors de leur étude sur les scarabées rhinocéros pour construire un microrobot batteur d'ailes pesant 18 grammes. Ce microrobot, qui est environ deux fois plus grand qu'un scarabée réel, peut déployer et rétracter passivement ses ailes.

'Pour des raisons de simplicité, nous avons utilisé des tendons élastiques installés aux aisselles qui permettent au robot de fermer passivement ses ailes', a déclaré Phan. 'En activant le mouvement de battement des ailes, le robot peut déployer passivement ses ailes pour décoller et maintenir un vol stable. Ensuite, en arrêtant le battement après l'atterrissage, les ailes peuvent être rapidement et passivement rétractées vers le corps sans besoin de moteurs supplémentaires.'

Le travail récent de Phan et de ses collègues a révélé que les mécanismes sous-jacents du déploiement et de la rétraction des ailes arrières des scarabées sont passifs et ne dépendent pas de mouvements musculaires. Il a ensuite introduit une stratégie viable pour reproduire ces mécanismes dans des microrobots, augmentant ainsi leur similitude avec les insectes.

'Notre robot aux ailes pliables peut être utilisé pour des missions de recherche et de sauvetage dans des espaces confinés', a déclaré Phan. 'Par exemple, il peut pénétrer dans un bâtiment effondré où les humains ne peuvent accéder. Avec son échelle réduite, le robot peut voler dans des espaces étroits. Lorsque le vol n'est pas possible, le robot peut atterrir ou se percher sur n'importe quelle surface, puis passer à d'autres modes de locomotion tels que le rampement.'

Notamment, lorsque le microrobot de l'équipe se déplace, ses ailes reposent le long de son corps, ce qui réduit le risque qu'elles soient endommagées tout en améliorant la mobilité du robot dans des espaces étroits. Une fois qu'il trouve un bon endroit pour décoller, le robot peut simplement déployer à nouveau ses ailes et passer en mode vol. 'Notre robot batteur pourrait également aider les biologistes à étudier la biomécanique du vol des insectes et pourrait être déguisé en insectes espions pour explorer la vie des vrais insectes dans les forêts, pour lesquels les drones à hélice conventionnels ne sont pas applicables', a déclaré Phan. 

'En outre, le robot batteur pourrait être utilisé pour mener des recherches en ingénierie ou comme jouet d'ingénierie pour les enfants, car sa fréquence de battement basse est très sûre et conviviale pour l'homme.' Jusqu'à présent, Phan et ses collègues ont évalué les performances de leur microrobot lors d'une série de tests préliminaires, qui ont donné des résultats prometteurs. 

À l'avenir, leur conception pourrait être encore améliorée et testée dans divers scénarios réels, afin de valider davantage son potentiel. 'Dans les futures études, il serait intéressant d'explorer si d'autres insectes, tels que de petites mouches, utilisent des stratégies passives similaires dans le contexte de la disponibilité limitée des muscles', a ajouté Phan. 

'Nous visons également à améliorer le vol agile de notre robot, et à mettre en place des capacités de locomotion au sol telles que se percher et ramper, semblables à ses homologues biologiques.' Plus d'informations: Hoang-Vu Phan et al, Déploiement et rétraction passifs des ailes chez les coléoptères et les microrobots battants, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07755-9 © 2024 Science X Network