Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

La nature maîtrise depuis longtemps l'art de passer d'un monde à l'autre. Les poissons ne se contentent pas de nager ; ils bondissent. Pour échapper à un prédateur, franchir une chute d'eau ou saisir une proie dans les airs, un poisson doit lever le nez, accélérer avec une poussée soudaine de puissance et maintenir cet angle abrupt jusqu'à ce qu'il brise la surface de l'eau. Cette manœuvre nécessite un équilibre délicat de forces : la capacité de générer une poussée immense en un instant, la précision pour contrôler son angle lors de la sortie de l'eau, et la stabilité pour maintenir sa trajectoire droite contre la turbulence chaotique de la surface. Pendant des décennies, les ingénieurs ont construit des robots sous-marins capables de nager avec une vitesse impressionnante ou de imiter l'ondulation gracieuse d'un poisson, mais peu ont réussi à reproduire cet acte spécifique de sortir de l'eau. La plupart des machines sous-marines sont conçues pour rester immergées, et celles qui tentent de sauter manquent souvent de contrôle pour le faire de manière fiable, basculant hors de leur alignement ou échouant totalement à franchir la surface.

Une équipe de chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder a maintenant construit un minuscule robot qui résout ce problème, créant une machine capable de nager sous l'eau, de bondir dans les airs et de retomber dans l'eau avec la même fluidité qu'un poisson. Le dispositif est de la taille d'une paume, mesurant seulement 65 millimètres de long et pesant seulement 34 grammes, pourtant il exécute une séquence complexe d'actions qui repousse les limites de ce que les petits robots sous-marins peuvent accomplir. En empilant deux hélices verticalement et en ajoutant un gouvernail de queue, l'équipe a créé une plateforme qui peut non seulement nager à des vitesses de 13,9 longueurs de corps par seconde, mais aussi lever le nez vers une position verticale en moins d'une seconde. Lorsqu'il décolle, il franchit un obstacle de 1,6 longueur de corps de haut et parcourt 3,7 longueurs de corps horizontalement avant de retomber dans l'eau. Dans un courant naturel avec de l'eau en mouvement, le robot a réussi à bondir encore plus haut, atteignant 2,8 longueurs de corps au-dessus de la surface, prouvant que sa conception fonctionne même dans les conditions réelles, désordonnées et imprévisibles.

Le secret de la réussite de ce robot réside dans la façon dont il imite la physique d'un poisson sans copier exactement sa forme. Au lieu d'utiliser une queue battante, difficile à contrôler pour des pointes de vitesse soudaines, les chercheurs ont choisi des hélices. Ils ont monté deux petits moteurs à haute vitesse l'un au-dessus de l'autre à l'intérieur d'un corps imprimé en 3D et étanche. En faisant tourner l'hélice supérieure plus vite que l'inférieure, ou inversement, le robot peut incliner son nez vers le haut ou vers le bas avec une grande précision. Cette poussée différentielle agit comme un levier, permettant au robot de changer d'angle rapidement. Pour empêcher le robot de pivoter sur le côté lorsqu'il se déplace, ils ont ajouté un petit gouvernail de queue entre les deux hélices. Ce gouvernail agit comme le gouvernail d'un bateau, dirigeant le robot à gauche ou à droite pour le maintenir sur une trajectoire droite. Le corps lui-même est façonné comme un profil aérodynamique, un design emprunté à l'aviation qui permet à l'eau de s'écouler de manière fluide sur sa surface. Les simulations informatiques ont montré que cette forme réduit la traînée de cinq fois par rapport à une simple boîte de même taille, permettant au robot de se déplacer plus vite et de consommer moins d'énergie.

Les chercheurs ont d'abord testé le robot dans un réservoir d'eau de laboratoire, où ils pouvaient mesurer chaque mouvement avec des caméras et des capteurs à haute vitesse. Ils ont programmé le robot pour suivre une série de commandes : nager droit, lever le nez à un angle spécifique, accélérer vers la surface, puis bondir. L'ordinateur embarqué du robot vérifie constamment son orientation à l'aide d'un capteur qui mesure la rotation et la gravité, ajustant la vitesse des deux hélices des centaines de fois par seconde pour rester sur la bonne trajectoire. Lors de ces tests, le robot pouvait maintenir un angle d'inclinaison stable même lorsque les chercheurs le tapotaient pour simuler une perturbation, corrigeant sa position en une seconde. Lorsque le robot était prêt à sauter, il levait le nez à 65 degrés, accélérait et jaillissait hors de l'eau. Sans le gouvernail, le robot pivotait souvent sur le côté en sortant de l'eau, perdant sa direction. Avec le gouvernail engagé, il restait parfaitement aligné, projetant droit vers le haut et vers l'avant.

L'équipe a ensuite emmené le robot hors du laboratoire, dans Boulder Creek, un ruisseau naturel avec de l'eau en mouvement et de la turbulence. Ici, le défi était bien plus grand. L'eau courante tentait de pousser le robot hors de sa trajectoire, et la surface était agitée. Malgré ces conditions, le robot a exécuté le saut avec succès. Il a nagé à contre-courant, a levé le nez et s'est lancé hors de l'eau, atteignant une hauteur de 2,8 longueurs de corps. Lorsque le gouvernail était éteint lors de ces tests en extérieur, le robot ne parvenait pas à maintenir sa trajectoire, pivotant sauvagement et atterrissant loin de sa cible prévue. Cela a confirmé que le gouvernail était essentiel pour la stabilité, non seulement dans le calme d'un réservoir, mais aussi dans l'environnement dynamique d'une véritable rivière. La capacité du robot à effectuer toute cette séquence — nager, incliner, bondir et revenir — démontre un nouveau niveau d'agilité pour les petites machines sous-marines.

Ce travail suggère que de petits robots pourraient bientôt être utilisés pour inspecter des zones qui leur sont actuellement inaccessibles. De nombreux systèmes sous-marins, tels que les canalisations, les barrages et les structures inondées, présentent des barrières comme des déversoirs ou des espaces secs entre les bassins qui empêchent un robot de progresser. Une machine capable de nager sous l'eau puis de bondir par-dessus ces obstacles pourrait naviguer dans des environnements complexes, inspectant les infrastructures ou surveillant la qualité de l'eau dans des endroits où il était auparavant impossible d'aller. Les chercheurs notent que leur prototype actuel est encore relié à une source d'alimentation par un câble fin, mais les principes qu'ils ont démontrés fournissent un modèle pour de futures versions autonomes. En perfectionnant la taille de la batterie et la conception des hélices, une version entièrement autonome pourrait un jour sauter de bassin en bassin, explorant les recoins cachés des ruisseaux et des systèmes industriels avec la même aisance que le poisson qui l'a inspiré.