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

La dynamique des ailes des espèces animales volantes a inspiré de nombreux systèmes robotiques volants. Alors que les oiseaux et les chauves-souris battent généralement des ailes grâce à la force produite par leurs muscles pectoraux et alaires, les processus sous-jacents aux mouvements des ailes de nombreux insectes restent mal compris.

Des chercheurs de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse) et de l’Université Konkuk (Corée du Sud) ont récemment entrepris d’étudier la manière dont les insectes herbivores connus sous le nom de scarabées rhinocéros déploient et rétractent leurs ailes. Les résultats de leurs recherches sont présentés dans un article publié dans Naturea ensuite été utilisé pour développer un nouveau microrobot battant qui peut déployer et rétracter passivement ses ailes, sans avoir besoin d’actionneurs extensifs.

« On pense que les insectes, y compris les coléoptères, utilisent les muscles thoraciques pour déployer et rétracter activement leurs ailes à la base des ailes, de la même manière que les oiseaux et les chauves-souris », a déclaré à Tech Xplore Hoang-Vu Phan, auteur principal de l’étude. « Cependant, les méthodes d’enregistrement ou de surveillance de l’activité musculaire ne permettent toujours pas de déterminer quels muscles les coléoptères utilisent pour déployer et rétracter leurs ailes, ni d’expliquer comment ils le font. »

Les ailes postérieures des coléoptères 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 que l’on trouve généralement chez les coléoptères) pendant qu’ils se reposent, puis déployées passivement lorsqu’ils volent. De nombreuses études antérieures visant à reproduire la dynamique des ailes de coléoptères dans des robots ont ainsi utilisé des structures de type origami, sans prêter beaucoup d’attention aux mouvements à la base des ailes postérieures.

« Cette recherche fait suite à mes travaux précédents publiés dans Science « En 2020, nous avons découvert la fonction d’absorption des chocs des ailes postérieures des scarabées rhinocéros lors de collisions en vol », explique Phan. « Au cours des expériences, j’ai accidentellement capturé un déploiement complet des ailes en deux phases et je me suis demandé pourquoi le scarabée utilise une procédure aussi complexe s’il est entraîné par des muscles actifs. »

Lors de ses précédentes études sur les scarabées rhinocéros, Phan a observé que ces insectes peuvent utiliser leurs élytres et leurs forces de battement pour déployer passivement leurs ailes postérieures afin de voler. Une fois leur vol terminé et qu’ils atterrissent sur une surface, ils utilisent ensuite les élytres pour repousser les ailes postérieures sur leur corps. Ces deux actions sont de nature passive, car elles n’impliquent pas l’utilisation des muscles thoraciques qui soutiennent le vol des oiseaux et des chauves-souris.

« En mettant en œuvre ce mécanisme passif dans des robots à ailes battantes, nous avons démontré pour la première fois que contrairement aux robots à ailes battantes existants qui gardent leurs ailes fixes dans une configuration entièrement déployée, notre robot peut replier les ailes le long du corps 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 battant des ailes qui pèse 18 grammes. Ce microrobot, qui est environ deux fois plus grand qu’un véritable scarabée, peut déployer et rétracter passivement ses ailes.

« Pour plus de simplicité, nous avons utilisé des tendons élastiques installés au niveau des aisselles qui permettent au robot de fermer ses ailes de manière passive », explique Phan. « En activant le mouvement de battement, 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 avoir besoin d’actionneurs supplémentaires. »

Les travaux récents de Phan et de ses collègues ont révélé que les mécanismes sous-jacents à la manière dont les coléoptères déploient et rétractent leurs ailes postérieures sont passifs et ne reposent pas sur des mouvements musculaires. Ils ont ensuite présenté une stratégie viable pour reproduire ces mécanismes dans des microrobots, augmentant ainsi leur similitude avec les insectes.

« Notre robot aux ailes repliables peut être utilisé pour des missions de recherche et de sauvetage dans des espaces confinés », a expliqué Phan. « Il peut par exemple pénétrer dans un bâtiment effondré auquel les humains ne peuvent pas accéder. Grâce à sa petite taille, 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 déplacement, comme ramper. »

Notamment, lorsque le microrobot de l’équipe rampe, 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 les espaces restreints. Une fois qu’il a trouvé un bon endroit pour s’envoler, le robot peut alors simplement déployer à nouveau ses ailes et repasser en mode vol.

« Notre robot battant 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 lesquelles les drones à voilure tournante conventionnels ne sont pas applicables », a déclaré Phan. « De plus, le robot battant pourrait être utilisé pour effectuer des recherches en ingénierie ou comme jouet d’ingénierie pour les enfants, car sa faible fréquence de battement est très sûre et respectueuse de l’homme. »

Jusqu’à présent, Phan et ses collègues ont évalué les performances de leur microrobot dans le cadre 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 de futures études, il serait intéressant de voir si d’autres insectes, comme les petites mouches, utilisent des stratégies passives similaires dans un contexte de disponibilité musculaire limitée », a ajouté Phan. « Nous souhaitons également améliorer l’agilité de vol de notre robot et mettre en œuvre des capacités de locomotion au sol telles que se percher et ramper, similaires à celles de ses homologues biologiques. »

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