Pleobot, inspiré du robot d’exploration océanique krill

Un petit crustacé est l’égérie de Pleobot, une solution robotique modulaire pour la nage métachronale

Souvent, plus qu’on ne l’imagine, la Science s’inspire du monde animal pour ses innovations. Non seulement la découverte du corps humain, mais aussi des moyens plus intelligents et plus sûrs d’explorer les méandres marins. Et c’est dans cet objectif qu’est né Pleobot. L’égérie inspiratrice cette fois est le krill, une espèce d’organismes marins invertébrés appartenant à l’ordre des Euphausiacées : de petits crustacés qui se concentrent notamment dans les eaux polaires froides. Les scientifiques de l’Université Brown ont pris la structure du krill comme exemple pour créer un robot capable de simplifier l’exploration et la locomotion sous-marines, de découvrir davantage ce que contiennent les océans et, qui sait, même d’identifier d’autres espèces vivantes non terrestres. En fait, un organisme artefact n’aurait pas besoin de grand-chose pour analyser le sol et le sous-sol dans d’autres mondes, avec les bonnes précautions et personnalisations (par exemple, pour surmonter des températures qui ne sont pas exactement “favorables” pour certaines planètes). Le équipe, dirigée par Sara Oliveira Santos, doctorante à la Brown’s School of Engineeringa étudié le krill de manière approfondie pour développer Pleobot, qui peut imiter les mouvements et les caractéristiques uniques du crustacé.

Comment Pleobot est né

Les krill sont des créatures qui excellent dans la nage, le freinage, les virages et l’accélération. La technique de navigation, dite « métachronale », implique le mouvement coordonné de plusieurs appendices ou pattes en séquence, créant un mouvement ondulant qui pousse le corps vers l’avant. Grâce à la technique, le krill peut vivre dans des habitats océaniques différents et complexes et effectuer de grandes migrations. De plus, sa construction permet une maniabilité considérable.

« Les expériences avec des organismes sont difficiles et imprévisibles. Pleobot nous permet une résolution et un contrôle sans précédent pour enquêter sur tous les aspects de la natation que le krill excelle dans les manœuvres sous-marines. Notre objectif était de concevoir un outil complet pour inclure tous les détails qui font du crustacé l’un des nageurs les plus sportifs de la nature », a déclaré Santos.

La construction de Pleobot a impliqué des chercheurs experts en mécanique des fluides, biologie et mécatronique. Le robot a été construit à une échelle dix fois supérieure à celle du krill, qui correspond généralement à la taille d’un trombone. L’appareil se compose principalement de pièces imprimables en 3D avec actionnement actif et passif des articulations pour créer une cinématique naturelle.

Comment fonctionne le petit robot

Les scientifiques ont utilisé des mesures de force et de débit de fluide et des données biologiques pour établir la relation entre l’appendice et la poussée. Fondamentalement, l’équipe a construit Pleobot pour qu’il ait trois sections mobiles, reproduisant la nage métachronale. Les chercheurs peuvent contrôler les deux segments de jambe de Pleobot et avoir un contrôle passif de ses nageoires birames, qui reproduisent le mouvement d’ouverture et de fermeture observé dans les nageoires du vairon. L’objectif est de simuler la façon dont le krill génère de la portance lorsqu’il nage vers l’avant pour éviter de couler car il est légèrement plus lourd que l’eau. Même lorsqu’ils ne nagent pas, les animaux doivent créer une portance pour maintenir leur position dans l’eau.

« Nous avons pu découvrir ce mécanisme à l’aide du robot. Nous avons identifié un effet important d’une région de basse pression à l’arrière des jambes de natation qui contribue à l’amélioration de la force de levage pendant le coup de puissance des jambes en mouvement », a déclaré Yunxing Su, partenaire postdoctoral du laboratoire et co-auteur de l’étude.

Selon les chercheurs, Pleobot a le potentiel d’exploiter des millions d’années d’évolution du krill pour produire un robot de navigation océanique avancé.

« Les agrégations de krill sont un excellent exemple d’essaims dans la nature : ils sont composés d’organismes au corps profilé, voyageant jusqu’à un kilomètre dans chaque direction, avec une excellente maniabilité sous-marine. Cette étude est le point de départ d’un objectif de recherche à long terme qui vise à développer la prochaine génération de véhicules autonomes de détection sous-marine. Comprendre les interactions fluide-structure au niveau des appendices nous permettra de prendre des décisions éclairées sur les conceptions futures », a déclaré Monica M. Wilhelmus, qui gère le Wilhelmus Lab à Brown.

Ces dernières années, le besoin croissant de machines télécommandées pour l’exploration sous-marine a favorisé les approches inspirées de la nature. En particulier, la découverte d’océans extraterrestres motive le développement de nouvelles plateformes robotiques qui nécessiteront probablement l’efficacité, la polyvalence et la maniabilité de la nage métachrone. En tant que tel, le Pleobot se présente comme un prototype fonctionnel qui peut être adapté à divers instruments pour explorer plus avant les territoires sous-marins.

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