En poursuivant nos investigations sur l’impact du changement climatique sur l’environnement, l’essor de la robotique rend cette tâche moins coûteuse et moins laborieuse. Grâce, en particulier, aux drones, les données peuvent être recueillies dans des régions ou des écosystèmes difficiles d’accès, qui peuvent être facilement perturbés par l’arrivée d’équipes de scientifiques pour des investigations sur place.
C’est le cas des forêts naturelles, qui représentent l’un des plus grands puits de carbone du monde et jouent ainsi un rôle essentiel dans la réduction du dioxyde de carbone, un important gaz à effet de serre et facteur de changement climatique.
Cependant, l’utilisation de drones intelligents de haut niveau pour la surveillance environnementale présente encore des limites. Une partie de ces robots doit être fabriquée à partir de composants électroniques à base de silicium, nécessitant la récupération de sections du drone en cas de dysfonctionnement ou de perte de contrôle. De plus, un dysfonctionnement du drone peut entraîner le dépôt de matériaux nocifs non dégradables dans des écosystèmes vulnérables, menaçant un équilibre délicat.
Un engin volant biodégradable
Un nouvel article publié dans la revue Advanced Intelligent Systems propose un robot volant transitoire composé principalement de matériaux biodégradables et bio-sourcés.
“Dans cet exemple spécifique, la structure, ainsi que les capteurs environnementaux imprimés, sont entièrement dégradables. La plupart des composants du drone peuvent être laissés dans l’environnement ciblé pour la surveillance, et les missions en sens unique sont rendues possibles”, a déclaré Fabian Wiesemüller du Laboratoire de la robotique durable, Empa – Laboratoires fédéraux suisses pour les sciences et la technologie des matériaux, qui a dirigé l’étude avec son collègue Mirko Kovac. “De plus, les matériaux bio-sourcés utilisés ont généralement une empreinte environnementale plus faible et rendent l’appareil plus durable.”
Le drone volant peut être lâché pour recueillir des données et les renvoyer depuis les forêts naturelles, puis, une fois sa mission terminée ou en cas de dysfonctionnement, il peut atterrir sur le sol de la forêt où il se décompose sans nuire. C’est parce que les “ingrédients” du drone sont simplement de l’amidon, de l’agar et de la gélatine mélangés à des déchets de bois.
Wiesemüller et l’équipe du Laboratoire de robotique durable prévoient d’utiliser les données des drones intelligents pour surveiller l’état des forêts et leur équilibre biologique et chimique.
Un planeur de la taille d’une paume
Le drone a une envergure d’environ 420 mm et est une aile volante sans queue, avec une hélice orientée vers l’arrière qui ressemble à un planeur de la taille d’une paume. Ce qui est vraiment excitant à propos de cet engin volant, c’est que ses ailes sont faites d’amidon de pomme de terre ou d’agar conventionnel mélangé à de la cellulose finement broyée provenant de déchets de bois.
Les composants sont mélangés puis lyophilisés, ce qui les transforme en une mousse rigide mais légère qui peut être moulée en forme d’aile. Pour renforcer l’aile, un papier électronique à très faible rugosité a été collé au noyau de l’aile.
“Alors que la cellulose est le polymère le plus abondant sur Terre, ses propriétés mécaniques et sa durabilité inhérente en font un candidat idéal pour la conception de robots transitoires“, a déclaré Wiesemüller. “En la mélangeant avec les trois autres biopolymères, nous avons développé des mousses à haute porosité, entièrement biodégradables et à base de matériaux biologiques.“
“Après l’analyse mécanique de diverses compositions, il a été constaté que la cellulose et la gélatine présentent les meilleures propriétés, maximisant la rigidité spécifique et la résistance spécifique“, a-t-il poursuivi.
À cette structure, l’équipe a fixé une peau fabriquée à partir de capteurs en noir de carbone imprimés à jet d’encre sur de la cellulose, selon Wiesemüller, ce composant étant également biodégradable.
“Une imprimante de bureau commerciale à jet d’encre a été utilisée avec une encre à base de noir de carbone. L’encre a été déposée sur du papier électronique à faible rugosité et les échantillons ont été séchés à l’aide d’un tampon chauffant”, ont poursuivi les scientifiques. “Les capteurs imprimés qui en résultent sont peu coûteux, et leur conception peut être rapidement modifiée grâce à l’approche de fabrication flexible.”
Jusqu’à présent, seule une section du drone ne se décompose pas sur le sol de la forêt, mais les scientifiques ont veillé à ce que cet élément cause le moins de dommages environnementaux possible.
“La section du fuselage porte une boîte d’électronique, qui contient les composants non dégradables, comme la liaison de données et le contrôleur de vol, et agit comme une boîte de crash réduisant le risque de contamination de l’environnement“, a souligné Wiesemüller.
Comment le drone en décomposition se comporte-t-il ?
L’équipe à l’origine du drone a déclaré qu’une fois qu’il atterrit sur le sol de la forêt à la fin de sa durée de vie, une “course contre la montre” commence. Alors que la peau de la machine mesure la température, la nature se met à l’œuvre pour la décomposer.
Lorsque l’équipe a testé le drone dans des conditions de laboratoire, elle a constaté que les organismes du sol décomposaient la plupart des ailes après seulement 14 jours. La peau sensorisée a commencé à se décomposer deux semaines après cela, le processus de décomposition permettant aux composants du drone de retourner à la nature. Il ne reste alors que les composants électroniques traditionnels dans leur boîtier, comme une boîte noire utilisée par les avions, qui doit être récupérée ultérieurement.
Le drone de l’équipe a déjà effectué plusieurs vols d’essai pendant lesquels il a été piloté manuellement et a démontré sa stabilité en vol, réalisant une transmission continue des données des capteurs intégrés. Wiesemüller a ajouté que l’aile volante avait une grande agilité et pouvait maintenir le vol pendant jusqu’à 15 minutes.
L’avenir du drone comprend une mise à niveau de ses capacités de détection, l’équipe soulignant que le capteur de température utilisé par le drone n’est qu’un dispositif de preuve de concept initial qui sera amélioré par des capteurs capables de déterminer également l’état des arbres, de l’eau et du sol en temps réel à travers la zone d’atterrissage de la forêt.
“Dans la prochaine étape, nous voulons intégrer d’autres capteurs transitoires, qui peuvent fournir plus d’informations sur l’environnement. Cela comprend des indicateurs tels que l’humidité relative, l’intensité des UV ainsi que les niveaux de polluants“, a conclu Wiesemüller. “De plus, nous travaillons à substituer de plus en plus de composants non dégradables, tels que la batterie, par des composants électroniques transitoires.”
References: F. Wiesemüller, et al, Biopolymer Cryogels for Transient Ecology-Drones, Advanced Intelligent Systems, DOI: 10.1002/aisy.202300037
Credit image : Yusuf Furkan Kaya
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