Les connaissances acquises lors des atterrissages durs des geckos grimpants dans les arbres conduisent à un perchoir meilleur et contrôlé dans les véhicules aériens robotisés.
Les robots agiles et volants jouent déjà un rôle important dans un certain nombre de secteurs et d’applications, notamment la collecte de données, la recherche et le sauvetage, la surveillance des cultures et la gestion des incendies de forêt. Cependant, même les drones à la pointe de la technologie ont une capacité limitée à atterrir sur des terrains incertains et des perchoirs difficiles, comme le côté d’un bâtiment, d’un arbre ou d’un poteau.
“Atterrir rapidement sur des surfaces verticales est l’un des plus grands défis de la robotique aérienne”, a expliqué Ardian Jusufi, responsable du groupe Max Planck au MPI pour les systèmes intelligents et au Laboratoire fédéral suisse de technologie des sciences des matériaux. “L’émulation de cette manœuvre élargirait leur espace d’application, comme dans un champ de décombres après un tremblement de terre, ou pour aider les pompiers, entre autres scénarios de recherche et de sauvetage.”
Les robots actuels s’appuient sur des rotors ou des ailerons pour ralentir et se réorienter avant l’atterrissage, explique Jusufi. “L’atterrissage sur un mur nécessite l’intégration de plusieurs flux de capteurs pour contrôler les forces aérodynamiques afin d’amener le robot dans l’orientation du corps à cabrer souhaitée pour une manœuvre de perchage dédiée”, a-t-il expliqué. “Le processus d’intégration de plusieurs flux de capteurs est coûteux en calcul, ce qui entraîne des temps de réaction lents aux perturbations de l’environnement.”
C’est lors d’une excursion dans les forêts tropicales de Singapour que Jusufi est tombé sur le gecko asiatique à queue plate, réputé non seulement pour ses capacités d’escalade inégalées, mais aussi pour sa capacité à glisser entre les arbres et à atterrir sur des surfaces verticales.
“J’ai été surpris d’observer que ces lézards s’écrasent la tête la première dans le tronc de l’arbre et reculent, tête au-dessus des talons à des angles extrêmes par rapport à la surface verticale, afin d’atterrir”, a déclaré Jusufi. “Ils entrent en collision avec l’arbre à des vitesses stupéfiantes de 22 km/h.”
Ces lézards comptent sur leur torse et leur queue pour dissiper l’énergie cinétique accumulée lors de leur vol plané, en collant leur atterrissage en appuyant leur queue contre le tronc et en les empêchant de tomber la tête la première. “J’ai vu le potentiel de ce mécanisme dans la création de robots multimodaux capables de se percher dans des environnements similaires”, a déclaré Jusufi.
Dans une étude récente Publié dans Systèmes intelligents avancés, Jusufi et son groupe ont donc développé un prototype au corps mou basé sur la taille, la forme et le poids du gecko, et qui utilise ce qu’il a appelé une “réponse antichute”. Comme pour le gecko, la queue du robot était essentielle pour permettre un atterrissage en toute sécurité, ainsi que la rigidité du torse.
“Un torse souple permet au robot de dissiper des quantités importantes d’énergie cinétique lors de l’impact”, a expliqué Chellapurath, l’auteur principal de cette étude. “Après l’impact, la flexion du torse permet aux membres postérieurs du robot de s’engager avec la surface, et la queue rigide réduit le rebond.”
Lorsque la queue est pressée contre le mur, elle fournit un contre-couple et empêche le robot de tourner la tête la première et de tomber la tête par-dessus les talons. “Dans cet esprit, les structures de morphing et le raidissement adaptatif permettent de plus en plus une déambulation robotique sans précédent avec un contrôle simplifié fourni par les matériaux biomimétiques et les relations entre les systèmes”, a déclaré Jusufi.
Étonnamment, pour que l’atterrissage forcé fonctionne correctement, l’équipe a déterminé la nécessité d’une queue pleine longueur – une demi-queue ne suffirait pas. “C’est particulièrement intéressant car cela soutient l’idée que ces lézards ont potentiellement évolué pour avoir des queues d’une longueur appropriée à la capacité de locomotion de leur corps”, a déclaré Pranav Khandelwal, l’un des auteurs de l’étude.
Les scientifiques ont également testé différents angles d’approche et vitesses d’impact pour tenir compte des différentes trajectoires d’approche afin de simuler des scénarios réels. La “réponse d’arrêt de chute” a bien fonctionné même lorsque l’angle et la vitesse d’approche ont changé, démontrant la polyvalence de ce mécanisme de perchage bio-inspiré.
“La réponse antichute des geckos qui s’écrasent sur un mur souligne l’importance de la conformité des structures du dos et de la queue pour assurer la robustesse à l’incertitude sur un terrain naturel non structuré”, a commenté Robert Wood, professeur à l’Université de Harvard qui n’a pas participé à l’étude. “Et plus largement, les travaux de Jusufi et de son laboratoire mettent en évidence l’utilité d’utiliser des robots bioinspirés pour explorer des questions de biologie de manière sans précédent.”
Cette étude fournit de nouvelles informations sur les exigences des atterrissages durs et sur la manière dont ils peuvent être utilisés pour augmenter la stabilité et simplifier le perchoir contrôlé dans les véhicules aériens.
Le groupe Max Planck estime qu’il est possible d’étendre la robustesse de l’atterrissage en affinant davantage les propriétés des matériaux du robot et en le testant sur une variété de surfaces difficiles dans différents environnements pour pousser les capacités du robot.
Référence : Ardian Jusufi, et al., Atterrissage accidentel morphologiquement adaptatif sur un mur : modèles à corps mou de geckos planeurs avec des rigidités matérielles variables, Systèmes intelligents avancés (2022). DOI : 10.1002/aisy.202200120
Crédit image : Ardian Jusufi Lab
