Ce robot sait nager et voler

Les plongeons, les mouettes, les macareux et les pétrels font partie de la centaine d'espèces capables à la fois de voler et de nager. Ces oiseaux plongeurs plongent, y poursuivent leur proie à la nage, puis s’envolent à nouveau. S’inspirant de ces animaux, des ingénieurs de l’EPFL et du MIT ont désormais mis au point un robot capable d’évoluer sous l’eau et de s’élever dans les airs en battant des ailes.

Le « Flapping-Wing Aerial-Aquatic Vehicle » (FAAV) pèse moins de 300 grammes et vise à aider les chercheurs à étudier les mécanismes permettant aux oiseaux plongeurs de se déplacer dans les airs et dans l’eau. Le robot se compose d’un fuselage central, de deux ailes battantes flexibles et d’une queue orientable. Les ailes et la queue peuvent être remplacées par des variantes de différentes tailles. Lors d’expériences menées dans un bassin et dans un lac, les chercheurs ont déterminé des combinaisons de taille d’aile, de fréquence de battement et d’angle de queue permettant au robot de passer en douceur de la nage à la percée de la surface de l’eau, puis au vol.

Les résultats publiés dans « Science » peuvent contribuer à mieux comprendre comment les oiseaux plongeurs adaptent leur mécanique de vol à l’air et à l’eau. Parallèlement, cette conception pourrait ouvrir la voie à une nouvelle classe de drones et de véhicules amphibies. On pourrait, par exemple, imaginer d’utiliser de tels robots volants pour effectuer des mesures et des prélèvements dans des eaux trop dangereuses ou difficiles d’accès pour les navires de recherche conventionnels.

« Notre vision est que des océanographes, des biologistes marins ou des communautés côtières puissent lancer ce robot depuis un navire ou depuis le rivage », explique l’auteur principal Raphael Zufferey, ancien chercheur à l’EPFL et aujourd’hui professeur assistant en génie mécanique au MIT. « Il pourrait voler jusqu’à proximité de la zone d’étude, par exemple vers un iceberg, une installation portuaire ou un groupe de baleines. Là, il plongerait dans l’eau, effectuerait des mesures ou prélèverait des échantillons, puis reviendrait pour transmettre les données, et ce, pour un coût bien inférieur à celui des méthodes traditionnelles. Il pourrait ensuite redécoller et effectuer d’autres plongées. »

Zufferey a commencé à développer ce robot alors qu’il était post-doctorant à l’EPFL. Il a achevé ses travaux au MIT, où il dirige aujourd’hui l’AURA Lab, qui développe des engins volants et aquatiques bio-inspirés. S’inspirant de la biomécanique des oiseaux, l’équipe a mis au point un robot doté d’ailes constituées de fines membranes. Celles-ci sont recouvertes de nanoparticules hydrophobes afin que l’eau s’écoule le plus rapidement possible. Le fuselage abrite une batterie et un moteur électrique étanche qui entraîne un vilebrequin et fait battre les ailes de haut en bas à des fréquences prédéfinies. La partie arrière motorisée est réglable en inclinaison et aide le robot à monter et à plonger.

Les chercheurs ont mené leurs premiers essais dans un petit bassin à l’EPFL, puis ont testé le robot dans le lac Léman. Il en est ressorti que la taille et la souplesse des ailes sont déterminantes. Les ailes, qui mesurent 80 centimètres, doivent être suffisamment souples pour limiter les amplitudes de battement sous l’eau, tout en étant suffisamment rigides pour porter le robot dans les airs.

À une fréquence de battement d’environ cinq hertz, le robot a atteint sous l’eau des vitesses de près d’un mètre par seconde. Dans les airs, il volait à une fréquence similaire, à environ six mètres par seconde. Ces vitesses et ces fréquences de battement correspondent à peu près à celles des véritables oiseaux plongeurs. Pour passer de l’eau à l’air, le robot doit être orienté selon un angle raide de 70 degrés, afin que les extrémités de ses ailes ne touchent pas la surface de l’eau.

Il est remarquable que, grâce à cette combinaison de taille d’ailes, de fréquence de battement et d’angle de queue, le robot puisse nager sous l’eau, percer la surface, puis voler sans avoir besoin de ce qui est déterminant pour de nombreux oiseaux plongeurs au moment du décollage : des pattes.

« La plupart des oiseaux doivent pagayer avec leurs pattes lorsqu’ils décollent de la surface de l’eau », explique Zufferey. « C’est pourquoi nous nous sommes demandé si cela était également nécessaire pour les robots. Il s’est avéré que ce n’était pas le cas. Jusqu’à présent, personne n’avait réussi à décoller de l’eau uniquement à l’aide de ses ailes. »

La prochaine étape pour l’équipe consiste à perfectionner les ailes afin qu’elles puissent non seulement effectuer des mouvements de haut en bas, mais aussi pivoter. De plus, le robot doit être testé dans des conditions plus turbulentes, par exemple lors d’un décollage depuis une eau agitée et en vol par vent fort. Les chercheurs souhaitent ensuite utiliser ce système pour mener des recherches scientifiques sur les océans.