Propulser de minuscules robots sans moteur et sans batteries, uniquement grâce aux propriétés physiques de l'eau ? Cela paraît irréalisable, mais ces chercheurs sont parvenus à le réaliser en s'inspirant de la nature. Par l'observation d'insectes aquatiques filer à des vitesses étourdissantes sur l'eau, ils ont reproduit leur principe de locomotion sur un robot de la taille d'un grain de riz.
L’espèce Rhagovelia distincta, une punaise d'eau, a développé une technique de propulsion unique dans le règne du vivant : grâce à de fins rubans en forme d’éventails situés au bout de ses pattes, elle exploite la tension superficielle de la surface de l’eau pour se propulser. Grâce à ce mécanisme, elle peut filer à des vitesses étourdissantes (120 longueurs de corps/seconde, plus de 18 fois plus rapide qu'Usain Bolt, sprinteur le plus rapide du monde), tout en étant capable de changer brusquement de trajectoire.
Ces caractéristiques physiques en ont fait un modèle idéal pour créer ces robots bio-inspiré (à la manière de ce robot-plante) pour Humberto Ortega-Jimenez, biologiste à l’Université de Berkeley. Ce dernier a travaillé dur aux côtés d’équipes de Georgia Tech et de l’Université d’Ajou en Corée pour imiter le mode de déplacement de ces insectes et le transposer sur des robots. Leur étude a été publiée le 21 août dans la revue Science.
Un insecte qui transforme la physique en moteur naturel
À l’œil nu, Rhagovelia distincta ressemble à une petite flèche d'à peine 2,5 mm qui glisse à toute allure sur l’eau. Un objet de fascination pour Ortega-Jimenez : « Ces minuscules insectes glissaient et viraient si rapidement à la surface de rivières turbulentes qu’ils ressemblaient à des insectes volants. Comment font-ils ? Cette question m’est restée en tête et il a fallu plus de cinq ans d’un travail collaboratif incroyable pour y répondre ».
Pendant longtemps, les biologistes ont pensé que cette punaise mobilisait ses muscles pour piloter ses rubans en forme d’éventail. Comme une rame ou une nageoire, l’insecte aurait actionné mécaniquement ses appendices pour se déplacer.
En réalité, elle ne dépense aucune énergie musculaire ; ses éventails sont constitués d’un matériau souple qui se déforme tout seul en fonction des forces qu’il subit. Lorsqu’ils touchent la surface de l’eau, la tension superficielle agit comme une « peau » élastique : elle pousse sur les rubans et les fait se déployer en quelques millisecondes. Dès que la pression retombe, leur propre élasticité les replie. Chaque battement d'éventail est dont directement alimenté par la physique de l'eau, sans intervention musculaire.
« Les scientifiques pensaient que les insectes utilisaient leurs muscles pour contrôler les éventails ; nous avons été surpris d’apprendre que c’est en réalité la tension de surface qui les alimente », résume Saad Bhamla, professeur associé à Georgia Tech. L'insecte a donc externalisé une partie de son moteur interne vers son environnement.
Des robots sans moteur
Pour passer de l’insecte au robot, les chercheurs ont conçu un éventail artificiel incroyablement léger : à peine un milligramme. Ce minuscule dispositif a été intégré sur un robot de la taille d’un insecte, où il remplit exactement le même rôle que dans la nature : se déployer, se replier et propulser la machine à la surface de l’eau.
Pour reproduire ces éventails, l’équipe coréenne de l’Université d’Ajou a utilisé la microscopie électronique à balayage. Cette technique a permis d’obtenir des images détaillées des structures en forme de rubans qui s’ouvrent et se ferment à l’extrémité des pattes de l’insecte. À partir de ces observations, les chercheurs ont conçu son équivalent artificiel : une fine membrane souple, de l’épaisseur d’un cheveu, capable de se déployer et de se rétracter toute seule sous l’effet de la tension de surface de l’eau, sans moteur ni contrôle électronique (voir vidéo en tête d'article).
« Nos éventails robotiques s’auto-morphent en n’utilisant rien d’autre que les forces de surface de l’eau et une géométrie flexible, exactement comme leurs homologues biologiques. C’est une forme d’“intelligence mécanique embarquée” que la nature a affinée au fil de millions d’années d’évolution », explique le professeur Je-Sung Koh.
Cela permet de réduire au minimum l’électronique embarquée, d’améliorer l’efficacité énergétique et d’envisager de créer, plus tard, des robots capables de fonctionner dans des environnements extrêmes sans batteries. Grâce à leur travail, les auteurs imaginent déjà pouvoir développer des micro-robots semi-aquatiques aptes à explorer des torrents, de franchir des obstacles à la surface de l’eau ou même d’intervenir lors d’inondations.
Comme c'est souvent le cas en robotique moderne, la nature reste une formidable source d'inspiration pour concevoir des machines biomimétiques : nage des poissons ou des méduses, vol des insectes, locomotion quadrupède (Spot de Boston Dynamics) ou bipède (Atlas, aussi agile qu'un humain), etc. Rhagovelia distincta a peut-être donné naissance à des robots moins majestueux et moins high-tech que ces créations, mais elles sont la preuve vivante qu'en robotique, la concision peut surpasser la démesure. À cet égard, les ingénieurs ont donc tout intérêt à considérer qu'une partie de l'avenir de la robotique se jouera hors de toute surenchère technologique.
Sources : Georgia Tech, Science
