Des chercheurs ont développé une combinaison de plongée pour blattes cyborgs imprimée en 3D, leur permettant de se déplacer et de survivre dans l’eau et dans des environnements pauvres en oxygène pendant trois heures d’affilée. Les insectes disposent de contrôleurs électroniques pour le guidage de leurs mouvements à distance et utilisent leurs propres muscles pour se déplacer, consommant ainsi moins d’énergie et moins de composants électroniques que les robots. Les chercheurs envisagent de les déployer pour la recherche de sinistrés dans les décombres inondés et peut-être un jour pour l’exploration interplanétaire.
Contrairement aux systèmes robotiques, les insectes cyborgs sont des systèmes hybrides combinant à la fois des composants robotiques et la biologie des insectes. Des dispositifs électromécaniques sont intégrés à l’anatomie des insectes pour contrôler leurs mouvements et leurs déplacements à distance.
Les insectes cyborgs peuvent présenter certains avantages par rapport aux robots conventionnels, notamment en matière de consommation d’énergie et de mobilité. Si les cyborgs utilisent leurs propres muscles pour se déplacer et peuvent se nourrir pour obtenir de l’énergie, les robots, eux, nécessitent des batteries embarquées de haute puissance pour utiliser leurs actionneurs, épuisant ainsi rapidement leur énergie, sans compter l’encombrement supplémentaire des batteries.
Les insectes cyborgs font depuis des années l’objet de recherches actives pour la réalisation de tâches complexes telles que les missions de recherche et de sauvetage de sinistrés et l’exploration de zones hostiles et difficiles d’accès. Leur taille compacte et leur adaptabilité leur permettent de se déplacer dans des environnements encombrés et confinés inaccessibles par les humains ou les robots plus grands et plus difficiles à contrôler.
Ces insectes cyborgs étaient jusqu’ici limités par leur système respiratoire. Les blattes et d’autres insectes comme les sauterelles respirent par le biais de petits orifices appelés stigmates et situés sur les côtés de leur thorax. L’air y pénètre pour atteindre le système trachéal où les échanges gazeux se produisent. Les stigmates ne peuvent donc plus absorber l’oxygène dans des environnements hypoxiques ou immergés.
Pour surmonter cette limitation, des chercheurs de l’Université technologique de Nanyang (NTU), à Singapour et de l’Université Waseda, au Japon, proposent une mini-combinaison de plongée flexible spécialement adaptée aux blattes cyborgs et leur permettant de se déplacer sous l’eau.
« C’est important car les lieux de catastrophes réelles peuvent s’avérer difficiles d’accès après de fortes pluies ou des inondations, les décombres, les égouts et les passages étroits bloquant les voies d’accès. En élargissant les capacités opérationnelles de nos insectes cyborgs pour inclure les déplacements sous-marins, nous pensons qu’ils peuvent améliorer les opérations de recherche et de sauvetage », explique dans un communiqué Hirotaka Sato, de l’École d’ingénierie mécanique et aérospatiale du NTU, qui a dirigé l’étude.
Une combinaison miniature pour prolonger la respiration sous l’eau
La combinaison est composée de trois parties distinctes : un réservoir de production d’oxygène, une enveloppe flexible et quatre tubes d’alimentation en oxygène en silicone. L’ensemble forme un système compact et autonome qui empêche l’eau de pénétrer à l’intérieur de la combinaison et de noyer l’insecte, tout en acheminant l’oxygène directement aux stigmates.
Le réservoir de génération d’oxygène a été imprimé en 3D à l’aide d’une résine de type PMMA. À l’intérieur du réservoir a été placée une éponge imprégnée de dioxyde de manganèse, qui sert de catalyseur pour la production d’oxygène. L’oxygène est produit par réaction chimique lorsqu’une petite quantité de peroxyde d’hydrogène entre en contact avec le catalyseur.
Après l’injection du peroxyde d’hydrogène dilué, l’ouverture induite dans la coque est scellée avec un adhésif ultraviolet pour éviter toute fuite de liquide. L’oxygène produit par décomposition lente du peroxyde d’hydrogène par le dioxyde de manganèse est ensuite acheminé vers les tubes en silicone jusqu’aux stigmates du cafard, lui permettant ainsi de respirer aussi bien sous l’eau que sur la terre ferme.
« Le principal défi technique consistait à concevoir un système suffisamment petit, léger et flexible pour que l’insecte puisse le porter, tout en produisant suffisamment d’oxygène pour des déplacements sous-marins de longue durée », explique le coauteur de l’étude, Shinjiro Umezu de l’École des sciences créatives et de l’ingénierie de l’Université Waseda.
Structure et mécanisme d’apport d’oxygène du système de combinaison de plongée. A. Une combinaison de plongée intègre i) un générateur d’oxygène, ii) une enveloppe étanche et flexible et iii) des tubes d’administration d’oxygène. B. Conception du générateur d’oxygène. C. Image au microscope optique des stigmates thoraciques. D. Connecteurs de stigmates adaptés, équipés de tubes d’administration d’oxygène. E Installation du tube d’apport d’oxygène avec connecteur de spiracle sur i–ii) spiracle prothoracique, iii–iv) spiracle mésothoracique. © Zifu FAN et al.
Des essais concluants en milieu immergé et appauvri en oxygène
L’équipe de Sato a testé le dispositif sur la blatte siffleuse de Madagascar (Gromphadorhina portentosa), couramment utilisée dans la recherche sur les insectes cyborgs en raison de sa taille, de sa robustesse et de l’absence d’ailes. Les tubes de respiration peuvent être fixés et retirés des stigmates des insectes sans qu’aucun signe de blessure n’ait été observé, selon les chercheurs.
Pour évaluer la capacité de déplacement des blattes cyborgs avec la combinaison, les chercheurs ont construit des tubes en plastique simulant différents environnements, tels que des tunnels inondés ou remplis de dioxyde de carbone pour reproduire un environnement pauvre en oxygène.
D’après les résultats détaillés dans la revue Nature Communications, les insectes pouvaient se déplacer aisément pendant trois heures d’affilée sous l’eau à environ 30 centimètres de profondeur, sans subir aucun dommage. Ils pouvaient se déplacer à des vitesses allant jusqu’à 78,4 millimètres par seconde, soit environ 10 mm/s de moins que leur vitesse moyenne sur terre.
A. Illustration conceptuelle d’un insecte cyborg évoluant sous l’eau. B. Conception structurelle et mécanisme de production d’oxygène d’une combinaison de plongée pour cafards cyborgs C. Démonstration de la locomotion en situation réelle. Photographies de l’insecte cyborg équipé d’une combinaison de plongée, effectuant : i) une descente, ii) une locomotion sous-marine et iii) une remontée. © Zifu FAN et al.
Les insectes cyborgs ont également déjà participé à des essais et démonstrations sur le terrain dans le cadre d’opérations de recherche et de sauvetage, telle que l’opération Lionheart, à la suite du séisme de magnitude 7,7 qui a dévasté le Myanmar l’an dernier. Ils sont actuellement en cours de développement pour l’inspection d’infrastructures publiques et des travaux sont en cours pour tester la combinaison de plongée dans des environnements de catastrophe simulés.
L’équipe estime en outre qu’à l’avenir, la combinaison pourrait être utilisée sur d’autres insectes cyborgs comme les criquets, ces derniers disposant de structures anatomiques et de systèmes respiratoires plus ou moins similaires à ceux des cafards.
« L’objectif ultime est de [transporter cette technologie] dans l’espace. C’est une étape importante vers les combinaisons spatiales pour insectes cyborgs pour l’exploration de la surface de Mars, par exemple », a suggéré Sato au New York Post.
