Les pattes de l’insecte s’étendent en éventail sous l’eau, formant une rame parfaite, mais se replient lorsqu’elles sont retirées – un système efficace pour se déplacer à la surface de l’eau. Un robot doté de pieds similaires est presque aussi agile.
Une équipe de chercheurs de l’université de Californie à Berkeley, de l’Institut de technologie de Géorgie et de l’université d’Ajou en Corée du Sud a révélé que les hélices uniques en forme d’éventail des rongeurs d’eau Rhagovelia – qui leur permettent de glisser sur des cours d’eau rapides – s’ouvrent et se ferment passivement, comme un pinceau, dix fois plus vite qu’un clignement de paupières. Inspirée par cette innovation biologique, l’équipe a mis au point un robot révolutionnaire à l’échelle de l’insecte qui intègre des ventilateurs auto-morphes qui imitent les mouvements agiles des insectes Rhagovelia. Cette étude montre comment la forme et la fonction d’une adaptation biologique façonnée par la sélection naturelle peuvent améliorer la locomotion et l’endurance des stridents aquatiques et des robots de bioingénierie sans entraîner de coûts énergétiques supplémentaires.
Un ventilateur automatique améliore le mouvement interfacial
Les araignées d’eau Rhagovelia sont uniques parmi les araignées d’eau, car ces insectes semi-aquatiques de quelques millimètres utilisent des structures spécialisées en forme de ventilateur sur leurs pattes de propulsion qui leur permettent d’effectuer des virages rapides et des accélérations soudaines.
« J’ai été intrigué la première fois que j’ai vu des araignées d’eau pendant que je travaillais comme post-doctorant à l’université d’État de Kennesaw pendant la pandémie », a déclaré Victor Ortega-Jimenez, biologiste intégratif actuellement à l’université de Californie à Berkeley, auteur principal de l’étude. Ortega-Jimenez avait déjà étudié les performances de saut des grands insectes aquatiques Gerridae dans des eaux instables, mais les insectes Rhahovelia étaient différents. « Ces minuscules insectes glissaient et tournaient si rapidement à la surface des cours d’eau turbulents qu’ils ressemblaient à des insectes volants. Comment font-ils ? Cette question m’a taraudé et il m’a fallu plus de cinq ans d’un incroyable travail collaboratif pour y répondre. »
Jusqu’à présent, on pensait que ces éventails étaient uniquement actionnés par la force musculaire. Cependant, une étude publiée aujourd’hui dans Science rapporte que les éventails plats en forme de ruban de Rhagovelia peuvent au contraire se transformer passivement grâce à la tension superficielle et aux forces élastiques, sans recourir à l’énergie musculaire.
« Observer pour la première fois un éventail isolé se déployer passivement presque instantanément au contact d’une goutte d’eau était tout à fait inattendu », a ajouté le Dr Ortega-Jimenez.
Cette combinaison remarquable de pliabilité pendant la récupération des pattes et de rigidité pendant la propulsion permet aux insectes d’effectuer des virages serrés en seulement 50 millisecondes et de se déplacer à des vitesses pouvant atteindre 120 fois la longueur de leur corps par seconde, rivalisant ainsi avec les manœuvres aériennes rapides des mouches volantes.
La collaboration est essentielle
Lorsque le Dr Ortega-Jimenez a rejoint Georgia Tech en 2020 après avoir quitté KSU, il a présenté le projet et ses observations préliminaires sur les insectes Rhagovelia au Dr Saad Bhamla, qui s’est montré fasciné et désireux d’approfondir la question. C’est le Dr Bhamla qui a fait appel au groupe du Dr Je-Sung pour collaborer au projet, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités d’intégrer la biologie, la physique et la robotique dans le projet.
« J’ai vu une véritable découverte qui se cachait sous nos yeux. Souvent, nous pensons que la science est l’apanage de génies solitaires, mais cela est loin d’être vrai. La science moderne repose sur des équipes interdisciplinaires de scientifiques curieux qui travaillent ensemble, au-delà des frontières et des disciplines, pour étudier la nature et concevoir de nouvelles machines bio-inspirées », a précisé le Dr Bhamla.
Cet effort interdisciplinaire, intégrant la biologie expérimentale, la physique des fluides et la conception technique, s’est poursuivi pendant plus de cinq ans.
Rhagobot est né : la nouvelle génération de robots araignées d’eau
La création d’un robot de la taille d’un insecte inspiré des araignées d’eau représentait un défi de taille, notamment parce que la conception microstructurale de l’éventail restait un mystère. La percée a eu lieu lorsque le Dr Dongjin Kim et le professeur Je-Sung de l’université d’Ajou ont capturé des images haute résolution de l’éventail à l’aide d’un microscope électronique à balayage, ce qui leur a permis de découvrir la solution à cette énigme.
« Au départ, nous avons conçu différents types de ventilateurs cylindriques, qui correspondent généralement à l’idée que nous nous faisons des cheveux. Cependant, la dualité fonctionnelle du ventilateur (rigidité pour générer une poussée et flexibilité pour pouvoir se replier) ne pouvait pas être obtenue avec des structures cylindriques. Après de nombreuses tentatives, nous avons surmonté ce défi en concevant un ventilateur en forme de ruban plat. Nous soupçonnions fortement que les éventails biologiques pouvaient avoir une morphologie similaire, et nous avons finalement découvert que l’éventail Rhagovelia possédait effectivement une micro-architecture en ruban plat, ce qui n’avait jamais été signalé auparavant. Cette découverte a confirmé le principe de conception de notre éventail artificiel en ruban plat », a indiqué le Dr Dongjin Kim, chercheur postdoctoral à l’université d’Ajou et auteur principal de cette étude.
Grâce à ces connaissances, ils ont pu décoder la base structurelle et le fonctionnement de ce système de propulsion naturel et le recréer sous forme robotique. Le résultat a été la conception d’un ventilateur élastocapillaire d’un milligramme qui se déploie tout seul, intégré à un robot de la taille d’un insecte. Ce microrobot est capable d’améliorer la poussée, le freinage et la maniabilité, ce qui a été validé par des expériences impliquant à la fois des insectes vivants et des prototypes robotiques.
« Nos ventilateurs robotiques se transforment d’eux-mêmes en utilisant uniquement les forces de la surface de l’eau et une géométrie flexible, tout comme leurs homologues biologiques. Il s’agit d’une forme d’intelligence mécanique intégrée, affinée par la nature au cours de millions d’années d’évolution. Dans le domaine de la robotique à petite échelle, ce type de mécanismes efficaces et uniques constituerait une technologie clé pour surmonter les limites de la miniaturisation des robots conventionnels », a déclaré le professeur Je-sung Koh, auteur principal de l’étude.
Cette étude établit non seulement un lien direct entre la microstructure des éventails et le contrôle de la locomotion aquatique, mais elle jette également les bases de la conception future de robots semi-aquatiques compacts capables d’explorer les surfaces aquatiques dans des environnements difficiles et à fort courant.
La structure en éventail de l’insecte aquatique, qui s’effondre et se redéploie rapidement lorsqu’il entre et sort de l’eau, a révélé une dualité biomécanique sans précédent : une grande flexibilité pour un déploiement rapide et une grande rigidité pour la propulsion. Cette dualité répond aux limitations de longue date de la robotique aquatique à petite échelle, telles que la récupération inefficace des coups et la capacité de manœuvre limitée.
Esquisse des tourbillons et des vagues sur l’eau
Il est bien connu que lors de la propulsion, les araignées d’eau non ventilées (par exemple celles de la famille des Gerridae) génèrent des tourbillons dipolaires caractéristiques et des vagues capillaires lorsqu’elles battent leurs pattes superhydrophobes sur l’eau. En revanche, les insectes Rhagovelia ventilés produisent une signature tourbillonnaire distincte et complexe à chaque battement, qui ressemble étroitement au sillage produit par le battement des ailes dans l’air.
« C’est comme si les Rhagovelia avaient de minuscules ailes attachées à leurs pattes, à l’instar du dieu grec Hermès », a commenté le Dr Ortega-Jimenez. « Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si les insectes à ondulations peuvent également produire une poussée basée sur la portance grâce à leurs structures en forme d’éventail, en plus de la propulsion basée sur la traînée. »
Cette possibilité est intrigante, car des preuves suggèrent que les coléoptères tourbillonnants et les cormorans génèrent une portance hydrodynamique pour se propulser dans l’eau grâce à leurs pattes velues et leurs pieds palmés, respectivement.
En plus de ces tourbillons, les insectes Rhagovelia produisent également des ondes capillaires symétriques lors de la propulsion de leurs pattes, qui semblent aider à générer une poussée, ainsi que de fortes vagues d’étrave qui se forment à l’avant du corps.
Résister aux eaux turbulentes
Les cours d’eau naturels constituent un véritable défi, en particulier pour les petits animaux qui vivent et se déplacent à leur interface. Les punaises ondulées, de la taille d’un grain de riz environ, doivent naviguer dans des eaux très dynamiques, agitées et turbulentes, tout en échappant aux prédateurs, en attrapant des proies et en trouvant des partenaires. Les niveaux relatifs de turbulence que ces insectes endurent quotidiennement dépassent de loin ce que nous connaissons généralement lors des turbulences en avion. Étonnamment, une surveillance de ces punaises pendant 24 heures en laboratoire a révélé leur endurance remarquable.
« Ils rament littéralement jour et nuit tout au long de leur vie, ne s’arrêtant que pour muer, s’accoupler ou se nourrir », explique Ortega-Jimenez.
Ces conditions instables que l’on trouve dans les cours d’eau représentent également une difficulté importante pour la conception de micro-robots interfaciaux capables de se déplacer efficacement dans des eaux aussi imprévisibles.
« Lors de la conception de robots à petite échelle, il est important de tenir compte de l’environnement spécifique dans lequel ils fonctionneront, en l’occurrence la surface de l’eau. En tirant parti des propriétés uniques de cet environnement, les performances et l’efficacité d’un robot peuvent être considérablement améliorées. Le Rhagobot, par exemple, peut se déplacer rapidement le long d’un cours d’eau grâce à sa structure de ventilateur intelligente, qui est alimentée par la tension superficielle et les forces de traînée de la surface de l’eau », conclut Jesung Koh.
Enfin, ces découvertes peuvent avoir des implications considérables pour la robotique bio-inspirée, en particulier dans le développement de systèmes de surveillance environnementale, de microrobots de recherche et de sauvetage, et de dispositifs capables de naviguer sur des interfaces eau-air perturbées avec une dextérité semblable à celle des insectes.
Article : « Ultrafast elastocapillary fans control agile maneuvering in ripple bugs and robots » – DOI : 10.1126/science.adv2792
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