Le RoboBee de Harvard maîtrise l'atterrissage, ouvrant la voie à la pollinisation agricole, ce robot volant de la taille d'un insecte a appris à atterrir grâce à des pattes inspirées de celles des tipulesAprès plus d'une décennie de développement, le robot volant de la taille d'un insecte de Harvard, RoboBee, a appris à atterrir grâce à des pattes inspirées de celles des tipules et à des commandes de vol améliorées. Les chercheurs considèrent RoboBee comme un substitut potentiel aux abeilles en voie de disparition, pour aider à la pollinisation des plantes.
Les progrès de la robotique sont sur le point de révolutionner la façon dont nous interagissons avec la technologie, et le dernier développement du laboratoire de microrobotique de Harvard incarne cette promesse. L'exploit réalisé par le RoboBee de Harvard marque une étape dans l'intégration de l'ingénierie bioinspirée à des applications pratiques.
Ce micro-robot à ailes battantes est conçu non seulement pour voler, mais aussi pour atterrir avec précision, en imitant l'un des atterrisseurs les plus habiles de la nature, la tipule. La biomécanique et la robotique sont désormais intimement liées, et la logique de conception du RoboBee s'appuie fortement sur ce que nous pouvons apprendre du monde naturel.
Le RoboBee a démontré sa capacité à voler, à plonger et à planer avec agilité, mais ces prouesses seraient compromises sans un mécanisme d'atterrissage tout aussi sophistiqué. La dernière refonte intègre un nouvel ensemble de longues pattes articulées, permettant au RoboBee de passer sans heurt du vol au contact avec le sol. Ces améliorations sont essentielles pour assurer la longévité du robot et minimiser les dommages à l'atterrissage - un aspect critique pour toute plate-forme robotique reposant sur des mécanismes délicats, en particulier ceux qui utilisent des actionneurs piézoélectriques.
L'équipe de recherche, dirigée par le professeur Robert Wood, a méticuleusement résolu les problèmes de fiabilité à l'atterrissage rencontrés depuis longtemps par les précédentes itérations du RoboBee. Grâce à l'intégration innovante d'un système de contrôle modernisé, le RoboBee est capable de décélérer à l'approche de la surface d'atterrissage, ce qui rend sa descente plus douce et mieux contrôlée. Cette avancée conceptuelle est essentielle car elle réduit considérablement les risques d'endommager les composants sensibles du robot lors de l'atterrissage.
Le défi de l'atterrissage pose un ensemble unique d'obstacles pour le RoboBee. Sa petite taille et sa structure légère - un dixième de gramme seulement pour une envergure de 3 centimètres - le rendent particulièrement sensible aux interférences environnementales. Les modèles précédents étaient confrontés au phénomène de l'« effet de sol », où le tourbillon généré par le battement rapide des ailes entraînait une instabilité lorsque le robot s'approchait d'une surface d'atterrissage. Ce phénomène s'apparente aux turbulences générées par les pales d'un hélicoptère, ce qui rend la phase finale de descente particulièrement précaire.
Christian Chan, étudiant en fin d'études et co-auteur du projet, a souligné que les méthodes d'atterrissage antérieures consistaient simplement à couper le moteur juste avant le contact avec le sol, ce qui conduisait à des atterrissages imprévisibles. Cette approche était essentiellement un pari, reposant sur la chance pour garantir un atterrissage sûr et vertical. En intégrant des conceptions mécaniques avancées inspirées de la tipule, l'équipe a fait des progrès dans la création d'un mécanisme d'atterrissage plus fiable.
Dans le cadre de ses travaux, l'équipe a étudié les caractéristiques physiques de la tipule. Ces insectes possèdent des pattes longues et flexibles, dont on pense qu'elles contribuent à réduire les forces d'impact lors de l'atterrissage. La capacité de la tipule peut être attribuée à son anatomie unique qui permet un effet d'amortissement substantiel lorsqu'elle s'engage dans le sol. Cette connaissance anatomique a été prise en compte dans le processus de conception, permettant aux chercheurs de créer des prototypes reflétant la structure des articulations et la segmentation des pattes de la tipule.
Comparaison de la taille du RoboBee par rapport à un centime, à une itération précédente du RoboBee et à une tipule volante
Alyssa Hernandez, chercheuse postdoctorale et co-auteure de l'étude, a apporté un éclairage essentiel grâce à son expérience en locomotion biologique, soulignant que le RoboBee constitue une excellente plateforme expérimentale pour explorer l'intersection entre la biologie et la robotique. Cette synergie est susceptible d'offrir une pléthore d'informations qui pourraient améliorer la conception des robots tout en facilitant les études biologiques. Cette recherche translationnelle pourrait ouvrir la voie à des hypothèses nuancées en biomécanique, en explorant comment la mécanique des créatures volantes pourrait inspirer de futures innovations robotiques.
Pour l'instant, le RoboBee reste attaché à des systèmes d'alimentation et de contrôle hors bord, une étape que l'équipe de recherche reconnaît comme une limitation en termes d'expérimentation. L'objectif est toutefois de faire évoluer le véhicule et d'intégrer des systèmes autonomes dans le RoboBee qui faciliteraient la reconnaissance sensorielle et le contrôle à bord. L'autonomie est considérée comme le « Saint Graal » de la micro-robotique et implique non seulement de voler, mais aussi de le faire sans compromettre les mécanismes de sécurité - la capacité d'atterrir en toute sécurité est au cœur de cette quête.
En termes d'applications potentielles, les capacités uniques du RoboBee le placent en bonne position pour faire tomber les barrières de l'utilisation conventionnelle des drones. Sa taille minuscule et son mimétisme fonctionnel ouvrent la voie à des utilisations innovantes, notamment des évaluations environnementales et des stratégies d'intervention en cas de catastrophe. L'une des perspectives les plus intéressantes est peut-être son application à la pollinisation artificielle, qui pourrait changer la donne dans l'agriculture, en permettant aux RoboBees de fertiliser les cultures de manière autonome et d'augmenter la production alimentaire.
Voici la présentation de cette découverte par les chercheurs :
RoboBee se pose pour atterrir : Le microrobot se dote de jambes inspirées de celles de la tipule pour réaliser des attérissages en douceur
Le RoboBee de Harvard a montré depuis longtemps qu'il pouvait voler, plonger et planer comme un véritable insecte. Mais à quoi sert le miracle du vol sans un moyen sûr d'atterrir ?
Réalisé par le laboratoire de microrobotique de Harvard, le RoboBee est désormais équipé du train d'atterrissage le plus fiable à ce jour, inspiré par l'un des atterrisseurs les plus gracieux de la nature : la tipule volante.
L'équipe de Robert Wood, professeur d'ingénierie et de sciences appliquées Harry Lewis et Marlyn McGrath à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), qui publie dans Science Robotics et figure en couverture, a doté son robot volant d'un ensemble de longues pattes articulées qui facilitent sa transition entre l'air et le sol. Le robot a également reçu un contrôleur actualisé qui l'aide à décélérer lors de l'approche, ce qui lui permet de s'écraser en douceur.
Ces améliorations protègent les délicats actionneurs piézoélectriques du robot - des « muscles » à forte densité énergétique déployés pour le vol qui sont facilement brisés par des forces externes lors d'atterrissages brutaux et de collisions.
L'atterrissage a été problématique pour le RoboBee en raison notamment de sa petite taille et de sa légèreté - il ne pèse qu'un dixième de gramme pour une envergure de 3 centimètres. Les versions précédentes souffraient d'un effet de sol important, ou d'une instabilité due aux tourbillons d'air provoqués par les battements d'ailes, un peu comme les coups de vent générés par les hélices d'hélicoptères, orientées vers le sol.
« Auparavant, si nous devions atterrir, nous éteignions le véhicule un peu au-dessus du sol et nous le laissions tomber en priant pour qu'il atterrisse à l'endroit et en toute sécurité », explique le coauteur Christian Chan, un étudiant diplômé qui a dirigé la refonte mécanique du robot.
L'article décrit l'amélioration du contrôleur du robot, ou cerveau, pour qu'il s'adapte aux effets du sol à mesure qu'il s'approche, un effort mené par le coauteur principal et ancien chercheur postdoctoral Nak-seung Patrick Hyun. Hyun a mené des essais d'atterrissage contrôlé sur une feuille ainsi que sur des surfaces rigides.
« La réussite de l'atterrissage de tout véhicule volant repose sur la minimisation de la vitesse à l'approche de la surface avant l'impact et sur la dissipation rapide de l'énergie après l'impact », explique Hyun, aujourd'hui professeur adjoint à l'université de Purdue. « Même avec les minuscules volets de RoboBee, l'effet de sol n'est pas négligeable lorsqu'il vole près de la surface, et les choses peuvent empirer après l'impact lorsqu'il rebondit et dégringole.
Le laboratoire s'est tourné vers la nature pour s'inspirer des améliorations mécaniques permettant un vol habile et un atterrissage gracieux sur une variété de terrains. Ils ont choisi la tipule, un insecte inoffensif qui se déplace relativement lentement, qui apparaît du printemps à l'automne et que l'on confond souvent avec un moustique géant. « La taille et l'échelle de l'envergure et du corps de notre plateforme étaient assez similaires à celles des tipules », a déclaré Chan.
Les chercheurs ont remarqué que les tipules possèdent de longs appendices articulés qui leur permettent probablement d'amortir leurs atterrissages. Les tipules se caractérisent en outre par des vols de courte durée : une grande partie de leur brève vie d'adulte (de quelques jours à quelques semaines) est consacrée à l'atterrissage et au décollage.
À partir des spécimens enregistrés dans la base de données du musée de zoologie comparée de Harvard, l'équipe a créé des prototypes de différentes architectures de pattes, avant d'opter pour des modèles similaires à la segmentation des pattes et à l'emplacement des articulations de la tipule. Le laboratoire a utilisé des méthodes de fabrication mises au point par le laboratoire de microrobotique de Harvard pour adapter la rigidité et l'amortissement de chaque articulation.
Alyssa Hernandez, chercheuse postdoctorale et coauteure, a apporté son expertise en biologie au projet, puisqu'elle a obtenu son doctorat au département de biologie organique et évolutive de Harvard, où elle a étudié la locomotion des insectes. « RoboBee est une excellente plateforme pour explorer l'interface entre la biologie et la robotique », a déclaré Hernandez. « La recherche de bioinspiration dans l'étonnante diversité des insectes nous offre d'innombrables pistes pour continuer à améliorer le robot. Réciproquement, nous pouvons utiliser ces plateformes robotiques comme outils pour la recherche biologique, en produisant des études qui testent des hypothèses biomécaniques. »
Christian Chan et Alyssa Hernandez
À l'heure actuelle, le RoboBee reste lié à des systèmes de contrôle hors bord. L'équipe continuera à se concentrer sur la mise à l'échelle du véhicule et sur l'intégration de l'électronique embarquée pour donner au robot une autonomie en matière de capteurs, d'alimentation et de contrôle - un triple graal qui permettrait à la plateforme RoboBee de véritablement décoller.
« L'objectif à long terme est l'autonomie totale, mais dans l'intervalle, nous avons relevé les défis posés par les composants électriques et mécaniques à l'aide de dispositifs d'attache », a déclaré Wood. « Les câbles de sécurité entravaient, sans surprise, nos expériences, et un atterrissage en toute sécurité est donc une étape cruciale pour retirer ces câbles.
La taille réduite du RoboBee et ses prouesses de vol semblables à celles d'un insecte offrent des possibilités intrigantes pour de futures applications, notamment la surveillance de l'environnement et la surveillance des catastrophes. L'une des applications potentielles préférées de Chan est la pollinisation artificielle - imaginez des essaims de RoboBees bourdonnant autour des fermes verticales et des jardins du futur.
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