Vol du RoboBee

À l'époque de Léonard de Vinci, le vol des animaux a inspiré les recherches humaines et nous avons cherché à imiter la nature en construisant des machines qui tentent de voler en battant des ailes. Dans, Jafferis et al. signaler une étape clé vers l'émulation du vol d'insecte avec ce qu'ils prétendent être le véhicule aérien à échelle d'insecte le plus léger à ce jour pour avoir réalisé un vol soutenu, sans attaches.

Outre le plaisir esthétique de reproduire la nature, les robots à ailes battantes présentent plusieurs avantages potentiels par rapport aux drones à voilure fixe et aux quadricoptères (hélicoptères à quatre rotors) qui sont devenus si populaires dans les applications commerciales et récréatives. Les battements d'ailes rendent les animaux et les machines extrêmement agiles et maniables – par exemple, les chauves-souris peuvent voler facilement dans les sous-sols, les grottes et les forêts denses. De plus, les ailes qui battent se déplacent généralement avec des vitesses de basculement inférieures à celles des hélices. Elles sont donc plus silencieuses et causent moins de dégâts si elles entrent en contact avec des personnes ou des biens.

En outre, les biologistes peuvent utiliser des robots à ailes battantes pour répondre à des questions fondamentales sur l'évolution du vol et les bases mécaniques de la sélection naturelle. Pour toutes ces raisons, le vol à ailes battantes bioinspiré a suscité un vif intérêt, en particulier au cours des deux dernières décennies. En conséquence, notre compréhension de l'aérodynamique et du contrôle des flyers robotiques bio-inspirés a considérablement progressé.^,, ainsi que plusieurs exemples de robots autonomes à battement automatisé^–.

Réaliser un vol robotique à l'échelle des insectes présente trois défis spécifiques. Premièrement, les matériaux utilisés pour construire le robot doivent être solides mais légers. Deuxièmement, les actionneurs conçus par l’être humain (des dispositifs qui convertissent l’énergie en mouvement) et les piles sont encore loin de réaliser respectivement les densités de puissance et d’énergie du tissu biologique. Et troisièmement, les algorithmes de détection et de contrôle que les animaux utilisent régulièrement pour maintenir un vol régulier et manœuvrer sont incroyablement complexes. Ces algorithmes se sont révélés difficiles à imiter, même avec l'utilisation d'un supercalculateur, malgré le fait qu'un cerveau d'insecte typique ne compte qu'environ un million de neurones – un nombre de fois inférieur au nombre de composants du système de traitement d'un supercalculateur.

Jafferis et ses collègues s’appuient sur plusieurs années de recherche et de développement impressionnants. Les auteurs associent une multitude de technologies diverses dans un tour de force de conception et d’ingénierie de systèmes pour réaliser le vol soutenu d’un robot de la taille d’un insecte appelé RoboBee X-Wing (Fig. 1). Le vol motorisé et soutenu est un mode de transport exigeant sur le plan énergétique, et la technologie existante des batteries est loin derrière la nature en ce qui concerne sa capacité à fournir une source d’énergie légère. Anciens dépliants robotiques de la taille d'un insecte^– ont fait appel à un «câble d’attache» électrique pour alimenter le système de vol en énergie nécessaire.

Les auteurs actuels évitent ingénieusement ce problème en utilisant des panneaux solaires perchés au-dessus du RoboBee. L’éclairage des panneaux à l’aide d’une source lumineuse à haute intensité fournit les 120 milliwatts environ nécessaires au fonctionnement du système de vol à 259 milligrammes. Cette approche à la lumière est similaire à au moins une autre démonstration du décollage d’un robot ultra léger.. Jafferis et ses collègues affirment que leurs robots réalisent un vol soutenu, plutôt que de simplement sauter ou décoller, est peut-être discutable et s'articule autour de ce qui est défini comme «soutenu» – nous laisserons aux historiens le soin de décider.

Construire une structure aile corps-corps à la fois légère et solide a toujours été le premier obstacle dans l’ingénierie des avions. Les petits systèmes de vol peuvent tirer parti de la loi du cube-carré selon laquelle, à mesure que la taille d'un véhicule diminue, sa masse corporelle diminue plus rapidement que la surface de ses ailes (proportionnelle à la force de portance générée). Cependant, d'autres problèmes sont plus difficiles pour les petits véhicules que pour les grands, comme le problème de la fabrication et de l'assemblage d'un système muscle-aile artificiel robuste et précis.

Le RoboBee se compose d’un système à ailes battantes composé de matériaux composites et construit selon un processus appelé usinage au laser. Ce processus a caractérisé les auteurs de l’étude, qui font partie d’un groupe de recherche du Harvard Microrobotics Laboratory à Cambridge, dans le Massachusetts. Le groupe a développé un outil de conception et de fabrication qui a évolué et mûri pour devenir une ressource inestimable (et enviable) pour la fabrication de robots à petite échelle. La conception actuelle du système à ailes battantes utilise une configuration innovante à quatre ailes qui bouge dans les deux sens. Ce mouvement est entraîné par des piézoélectriques intégrés (matériaux qui convertissent l'électricité en forces mécaniques) et génère une portance suffisante avec des demandes de puissance acceptables.

Un inconvénient persistant des piézoélectriques est que, bien qu’ils puissent appliquer des forces importantes à un matériau, ils induisent des déplacements infimes et nécessitent des tensions élevées. Les principales avancées dans les travaux en cours sont l'optimisation d'une transmission mécanique pour générer les caractéristiques de déplacement de force appropriées et le développement d'un circuit électronique léger qui convertit les basses tensions générées par les panneaux solaires en impulsions de 200 volts nécessaires à l'alimentation des piézoélectriques. .

Tous ces composants sont combinés pour produire le système de test résultant: un appareil haut et lugubre dont les panneaux solaires sont perchés au-dessus du système d’aile et dont les composants électroniques sont suspendus au-dessous. Ce n’est certes pas le dépliant le plus esthétique, mais lorsque les lumières s’allument, il se décolle et réalise un vol soutenu, autonome et sans attaches. Bien que le dispositif en lui-même soit une réalisation impressionnante, la description détaillée de la modélisation et de la conception que l'équipe a insérées dans le système est également enrichissante. Le vol du RoboBee représente beaucoup plus que la somme des parties. Cela reflète également le bon compromis obtenu entre les intérêts concurrents du poids, de la puissance, du contrôle, de la force, de la résilience et même du coût.

Il reste encore beaucoup de travail à faire et nous n’arrivons pas encore au point où un essaim de robots s’envolera, comme le décrit cauchemardesque la science-fiction dystopique telle que le roman de Michael Crichton. Proie. Le robot de Jafferis et ses collègues a besoin d’une lumière intense pour générer une puissance suffisante au décollage (au moins trois fois l’intensité du Soleil). De plus, le robot vole un peu moins d’une seconde avant de s’éloigner de la vue, probablement en direction d’un atterrissage forcé. Néanmoins, les progrès dans les technologies de batterie pourraient bientôt éliminer le besoin de panneaux solaires et, avec les capacités sans cesse améliorées de l'électronique et des technologies de communication à petite échelle, le vol contrôlé de minuscules robots semble à notre portée.