Des chercheurs ont mis au point un nouveau concept d’ailes robotiques inspiré de celles des sauterelles, offrant une capacité de vol plané sur de longues distances avec une consommation énergétique réduite. Les ailes postérieures de ces insectes permettraient notamment d’inspirer des planeurs qui pourraient replier et déployer leurs ailes en fonction des besoins et ne nécessiteraient pas le transport de batteries lourdes.
Les robots volants de taille comparable à des insectes sont généralement inspirés des abeilles et des mouches, s’appuyant ainsi sur des battements d’ailes constants pour se déplacer et se diriger. Ces battements permanents consomment cependant énormément d’énergie et nécessitent donc de lourdes batteries que les robots ne pourraient transporter sur de grandes distances, en particulier les robots miniatures.
« Le vol plané est un mode de vol économique », explique dans un billet de blog Aimy Wissa, professeure de génie mécanique et aérospatial à l’Université de Princeton. « Lorsqu’on veut produire de la poussée, on bat des ailes. Lorsqu’on veut économiser de l’énergie, on déploie complètement les ailes et on plane. »
La conception de robots volants pouvant à la fois parcourir de longues distances tout en consommant peu d’énergie constitue ainsi l’un des principaux défis du domaine. Des chercheurs ont suggéré l’utilisation du vol plané pour réduire la consommation énergétique et, par extension, la taille des batteries transportées par les robots. Cette stratégie permettrait aussi un vol sans fil tout en offrant la possibilité d’allouer davantage d’énergie à d’autres modes de déplacement comme le saut.
Wissa et ses collègues proposent pour cela de s’inspirer des sauterelles. Bien que ces insectes à l’apparence dégingandée ne soient pas nécessairement les plus gracieux en vol, ils possèdent une modalité de déplacement polyvalente : ils ne se contentent pas de battre des ailes, mais sautent et planent également.
La sauterelle, un modèle d’ingénierie insoupçonné
D’après les chercheurs, parmi les insectes volants étudiés, seuls trois groupes sont connus pour planer efficacement : les sauterelles, les libellules et les papillons. Si les sauterelles ne sont pas nécessairement les meilleures planeuses, elles possèdent la capacité de rétracter leurs ailes avec précision en les pliant comme un accordéon, leur offrant une meilleure mobilité au sol. Cela permettrait aussi de réduire la résistance à l’air lorsqu’elles sautent du sol avant de s’envoler. En revanche, les ailes des libellules restent toujours déployées, tandis que celles des papillons ne peuvent se replier que vers le haut, ce qui limite la fluidité de leur déplacement lorsqu’ils se posent.
Les sauterelles possèdent deux paires d’ailes : des ailes antérieures et des ailes postérieures. Les ailes antérieures sont rigides et colorées et servent principalement à la protection et au camouflage. Les ailes postérieures sont plus fines et transparentes et servent davantage au vol. Observées de près, elles présentent une structure ondulée, c’est-à-dire un motif en relief tridimensionnel semblable à des collines et des vallées abruptes. Cette forme leur permet de se replier facilement sous les ailes antérieures.
Pour réaliser leur étude, les chercheurs se sont concentrés sur la sauterelle américaine (Schistocerca americana), réputée pour ses capacités de vol. Ils ont réalisé des maquettes imprimées en 3D d’ailes postérieures de cinq à dix centimètres d’envergure. Une technique de tomodensitométrie a été utilisée pour capturer fidèlement les reliefs et les reproduire pour l’impression.
« En tant qu’entomologiste, je m’intéressais surtout aux avantages que pouvait présenter cette ondulation », explique dans un article de blog de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign Marianne Alleyne, professeure d’entomologie et coauteure de l’étude — publiée le 7 janvier dans le Journal of the Royal Society Interface. « Je me demandais si elle constituait un désavantage ou s’il s’agissait d’une caractéristique neutre apparue pour leur permettre de replier leurs ailes. L’ondulation pouvait aussi être bénéfique. Nous n’en savions rien », ajoute-t-elle.
Des performances comparables aux vraies ailes de sauterelles
La prochaine étape de l’étude consistait à tester les maquettes 3D dans un canal, où leurs performances aérodynamiques ont été évaluées en fonction de l’écoulement de l’eau autour de chaque aile. Les données recueillies ont ensuite été utilisées pour améliorer la conception et imprimer de nouvelles ailes, qui ont été fixées à de petites structures afin de créer des mini-planeurs.
Les performances de vol ont été testées en les lançant par-dessus le laboratoire de robotique de Princeton et en les suivant à l’aide d’un système avancé de caméras de capture de mouvement. Ces performances ont été comparées avec celles de vraies sauterelles et de planeurs dotés d’ailes lisses standards.
Les performances de vol ont été testées en les lançant par-dessus le laboratoire de robotique de Princeton. © Princeton University/Sameer A. Khan/FotobuddyLes chercheurs ont constaté que l’efficacité de vol des planeurs équipés d’ailes ondulées était comparable à celles des sauterelles. Les ailes lisses permettaient cependant un vol plus efficace et plus régulier. « Cela nous a montré que ces ondulations pourraient avoir évolué pour d’autres raisons », a déclaré Wissa dans l’article de l’Université de Princeton.
En effet, les tests ont montré que, bien qu’elles semblent réduire l’efficacité des vols planés, ces ondulations facilitaient en revanche les vols à des angles d’incidence élevés. En prochaine étape, l’équipe prévoit de concevoir des ailes capables de se déployer à partir d’une position repliée, tout en réduisant le besoin de moteurs ou de sources d’alimentation supplémentaires. Comprendre ce mécanisme permettrait, à terme, de réduire la consommation énergétique et de diminuer la taille et le coût des robots insectes volants. Il serait aussi possible d’intégrer la capacité de saut à la conception, à l’instar des véritables sauterelles.