Notre robot est inspiré de la méduse commune de la lune. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Certaines des dernières zones de nature sauvage vierge et intacte sur Terre existent sous les mers. Pourtant, ces écosystèmes marins sont menacés par les projets miniers en haute mer, les plates-formes pétrolières et les parcs éoliens offshore. Lorsque ces installations sont construites et entretenues, elles ont tendance à endommager les riches réseaux écologiques qui les entourent.

Les roboticiens et les ingénieurs travaillent pour résoudre ce problème, à la recherche de nouvelles façons de créer des machines qui pourraient aider à réparer, entretenir ou inspecter les composants sous-marins de l'industrie offshore en pleine croissance. Dirigée par des collègues Thierry Bujard et Gabriel Weymouth de l'Université de Southampton, mon équipe a trouvé une solution à ce problème, concevoir des robots sous-marins inspirés des nageurs les plus intelligents de la nature: la méduse lunaire ultra-efficace.

Les robots aquatiques traditionnels sont conçus pour deux objectifs principaux: pour être efficace, navigation longue distance sur des plans d'eau ouverts et pour des tâches exigeant une grande maniabilité à proximité de structures immergées. Les deux types de robots sont efficaces, mais peu de robots combinent un déplacement efficace avec une grande maniabilité. Cela signifie que la plupart des robots aquatiques sont trop maladroits et maladroits pour soutenir l'industrie offshore sans nuire également à l'environnement sous-marin.

En effet, avec l'expansion des développements offshore vers des environnements de plus en plus fragiles, même les robots marins de pointe ont du mal à faire face à la complexité de leurs missions. De nombreuses recherches sont actuellement en cours pour développer des robots autonomes en haute mer, avec des initiatives telles que Xprize offrant un financement à certaines des idées les plus intéressantes.

Machines marines

Pour répondre à ces défis, les ingénieurs se sont tournés vers la biologie pour inspirer de nouvelles formes de propulsion robotique sous-marine. Après des millions d'années d'évolution, selon la logique, les créatures aquatiques devraient proposer des modèles pour aider à remédier aux faiblesses de la récolte actuelle de robots sous-marins.

Le mode de nage des poissons, basé sur le battement de leurs différentes nageoires, est devenu la principale source d'inspiration pour ceux qui expérimenter de nouveaux véhicules sous-marins. Mais le mode de nage à jet pulsé privilégié par les méduses est largement considéré comme le mécanisme de propulsion sous-marine le plus efficace au monde, offrant une solution technologique plus convaincante et beaucoup plus facile à imiter pour les roboticiens.

Le jet d'impulsion repose sur l'expansion et la contraction cycliques d'une cavité creuse du corps de l'échantillon. Ce système entraîne l'ingestion et l'expulsion de l'eau, ce qui fournit finalement aux méduses une forme de propulsion.

Malgré sa simplicité, cette stratégie de natation peut se traduire par une agilité incroyable en plus d'être très économe en énergie. Le calmar le plus rapide peut voyager jusqu'à 8 mètres par seconde en utilisant un système à jet pulsé, tandis que la méduse Aurélia aurita (également connue sous le nom de méduse lunaire) est connue pour être le nageur le plus efficace de la planète.

En copiant ces organismes lorsque nous construisons des robots sous-marins, nous pouvons concevoir de nouveaux véhicules sous-marins capables de combiner une maniabilité élevée avec une efficacité inégalée. Dans notre recherches récentes, nous avons développé un nouveau robot bio-inspiré qui peut égaler l'efficacité propulsive du Aurélia aurita. Pour ce faire, nous avons imité le principe clé qui permet aux méduses d'atteindre leur haute efficacité propulsive: la résonance.

L'Aurelia aurita ou méduse lunaire est considérée comme le nageur le plus efficace sur Terre. Richard A McMillin / Shutterstock

Robotique résonnante

La résonance est un phénomène physique couramment rencontré dans de nombreuses activités quotidiennes telles que marcher, jouer sur une balançoire et même chanter. Si nous observons un pendule oscillant, par exemple, nous savons par expérience qu'il continuera à osciller jusqu'à ce qu'il s'arrête, suspendu dans une position verticale déterminée par la gravité. La fréquence à laquelle le pendule oscille est appelée sa «fréquence naturelle».

Par expérience, nous savons également que si nous voulons maintenir le pendule en oscillation, le moyen le plus simple de le faire est de lui donner un coup de pouce utile chaque fois qu'il atteint le point le plus élevé de son oscillation, tout comme nous le faisons lorsque nous poussons un enfant plus haut. sur une balançoire. Lorsque nous faisons cela, nous permettons au pendule ou à la balançoire de «résonner».

Ainsi, la résonance se produit lorsqu'une force externe affecte un système à sa fréquence naturelle, amenant le système à réaliser des oscillations d'amplitude plus grandes à une fraction de la force nécessaire. C'est ce qui rend le fonctionnement à la résonance si efficace. Nous avons appliqué le même principe à la propulsion de notre robot inspiré des méduses.

Nous avons émis l'hypothèse qu'en concevant une méduse robotique avec un système de propulsion élastique, nous pourrions exploiter la fréquence naturelle inhérente de cet élastique pour entraîner le mécanisme en résonance. En résonance, notre robot émettrait de puissants jets pulsés à une fraction du coût énergétique.

Le robot que nous avons développé possède une chambre intérieure élastique, qui se dilate et s'effondre sous l'effet d'un mécanisme en forme de parapluie. Lorsqu'il a été testé dans un réservoir d'eau, il a été constaté que le robot augmentait sa vitesse de nage à mesure que la vitesse à laquelle il pulsait s'approchait de la fréquence naturelle de la chambre élastique de la méduse du robot. Cela a prouvé que notre robot méduse avait atteint une résonance.

L'efficacité d'un système qui se propulse, qu'elle soit mécanique ou biologique, repose sur une équation qui combine la puissance absorbée, la vitesse du système et sa masse. Lorsqu'elle est appliquée à notre robot, cette équation met notre robot méduse à égalité avec le Aurélia aurita méduse.

C'est un résultat frappant avec un double impact. D'une part, il montre pour la première fois qu'un système mécanique peut atteindre l'efficacité propulsive des meilleurs nageurs de la nature. D'autre part, notre robot a expliqué la nage exceptionnelle de ses homologues biologiques - ce qui peut désormais aider les biologistes à revenir à l'étude des méduses et des calmars avec une perspective entièrement nouvelle.

Propulsé par un système inspiré du plus efficace des nageurs de la nature, notre robot méduse fournit un prototype de robot sous-marin dynamique et efficace, que l'industrie éolienne offshore pourra un jour utiliser pour entretenir les parties de son infrastructure qui se trouvent sous les vagues.

À propos des auteurs

Francesco Giorgio-Serchi, chercheur chancelier en robotique et systèmes autonomes, Université d'Edimbourg

Cet article a été mis à jour le 24 février 2021 pour remercier l'équipe de l'Université de Southampton qui a également travaillé sur cette recherche.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

Livres connexes

Drawdown: Le plan le plus complet jamais proposé pour inverser le réchauffement climatique

par Paul Hawken et Tom Steyer
Face à la peur et à l'apathie généralisées, une coalition internationale de chercheurs, de professionnels et de scientifiques s'est réunie pour proposer un ensemble de solutions réalistes et audacieuses au changement climatique. Une centaine de techniques et de pratiques sont décrites ici - certaines sont bien connues; certains dont vous n'avez peut-être jamais entendu parler. Elles vont de l’énergie propre à l’éducation des filles dans les pays à faible revenu, en passant par les pratiques d’utilisation des sols qui extraient le carbone de l’air. Les solutions existent, sont économiquement viables et les communautés du monde entier les appliquent actuellement avec compétence et détermination. Disponible sur Amazon

Concevoir des solutions climatiques: un guide de politique pour l'énergie à faible teneur en carbone

par Hal Harvey, Robbie Orvis et Jeffrey Rissman
Avec les effets du changement climatique déjà sur nous, la nécessité de réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre n'est rien de moins qu'urgente. C'est un défi de taille, mais les technologies et les stratégies pour y faire face existent aujourd'hui. Un petit ensemble de politiques énergétiques, bien conçues et bien mises en œuvre, peut nous mettre sur la voie d'un avenir sobre en carbone. Les systèmes énergétiques sont vastes et complexes, de sorte que la politique énergétique doit être ciblée et rentable. Les approches universelles ne permettront tout simplement pas de faire le travail. Les décideurs ont besoin d'une ressource claire et complète qui décrit les politiques énergétiques qui auront le plus grand impact sur notre avenir climatique et décrit comment bien concevoir ces politiques. Disponible sur Amazon

Cela change tout: Capitalisme contre le climat

par Naomi Klein
In Cela change tout Naomi Klein affirme que le changement climatique n'est pas simplement un autre problème à régler soigneusement entre impôts et soins de santé. C'est une alarme qui nous appelle à réparer un système économique qui nous fait déjà défaut à bien des égards. Klein explique méticuleusement que la réduction massive de nos émissions de gaz à effet de serre est notre meilleure chance de réduire simultanément les inégalités, de ré-imaginer nos démocraties brisées et de reconstruire nos économies locales dévastées. Elle expose le désespoir idéologique des négateurs du changement climatique, les illusions messianiques des futurs géo-ingénieurs et le tragique défaitisme de trop nombreuses initiatives vertes traditionnelles. Et elle montre précisément pourquoi le marché n'a pas - et ne peut pas - résoudre la crise climatique, mais aggravera la situation, avec des méthodes d'extraction de plus en plus extrêmes et écologiques, accompagnées d'un capitalisme catastrophique. Disponible sur Amazon

De l'éditeur:
Les achats sur Amazon vont couvrir les frais de transport. InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, ainsi que ClimateImpactNews.com sans frais et sans annonceurs qui suivent vos habitudes de navigation. Même si vous cliquez sur un lien mais n'achetez pas ces produits sélectionnés, tout ce que vous achèterez lors de cette même visite sur Amazon nous rapportera une petite commission. Il n'y a pas de coût supplémentaire pour vous, alors contribuez à l'effort. Vous pouvez également utiliser ce lien d’utiliser Amazon à tout moment pour vous aider à soutenir nos efforts.