Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot

La nature maîtrise depuis longtemps l'art de passer d'un monde à l'autre. Les insectes comme les araignées d'eau et les coléoptères de surface peuvent sprinter sur la surface d'un étang puis grimper sur une rive boueuse, le tout sans changer de pattes ni de méthode de mouvement. Ils utilisent les mêmes membres pour pousser contre l'eau et pour pousser contre le sol, s'appuyant sur la physique de leur environnement pour faire le plus gros du travail. Pour les ingénieurs qui tentent de construire de minuscules machines capables de faire la même chose, ce tour biologique est un casse-tête persistant. Créer un robot assez petit pour tenir dans une poche — spécifiquement, un robot de moins de cinq centimètres de long — est déjà une tâche difficile en soi. Faire en sorte que cette même machine se déplace rapidement et avec agilité sur la terre ferme et à la surface de l'eau, tout en transportant sa propre batterie et son propre cerveau, a semblé presque impossible. Le défi réside dans le fait que la terre et l'eau exigent des types de mouvements très différents ; ce qui fonctionne pour courir sur de la terre échoue souvent pour nager, et vice versa. Habituellement, résoudre cela nécessite des machines complexes dotées de plusieurs ensembles de pièces mobiles, qui sont trop lourdes et encombrantes pour tenir dans un châssis de la taille d'un insecte.

Une équipe de chercheurs a maintenant mis au point une solution qui défie ce compromis. Ils ont créé un robot amphibie de l'échelle de l'insecte, non relié par un câble, qui mesure seulement 2,1 centimètres de long et ne pèse que 1,69 gramme. Cette minuscule machine peut zigzaguer sur le sol et glisser sur la surface de l'eau avec une vitesse remarquable, tout en transportant sa propre source d'énergie et son système de contrôle sans fil. Le secret de sa réussite réside dans un mode de mouvement unique et ingénieux qui fonctionne dans les deux environnements. Au lieu d'utiliser des pattes différentes pour la nage et la course, le robot utilise un seul ensemble d'actionneurs pour piloter une paire de membres qui servent à la fois de patte de course et de rame de natation. En faisant vibrer ces membres selon un rythme asymétrique spécifique, le robot génère un mouvement vers l'avant sur terre et sur l'eau sans avoir besoin de changer de matériel ou de démarche.

La conception du robot s'inspire de la façon dont nagent les coléoptères de surface. Ces coléoptères ont des pattes qui s'écartent largement lorsqu'ils poussent vers l'arrière pour saisir l'eau, mais qui se replient serrées lorsqu'ils balayent vers l'avant pour réduire la résistance. Les chercheurs ont imité ce comportement avec une rame de natation attachée à la patte avant du robot. Cette rame est reliée par une charnière spéciale qui lui permet de balancer librement dans une direction, mais de se bloquer dans l'autre. Lorsque le robot vibre, la rame s'écarte largement lors de la phase de propulsion pour pousser contre l'eau, créant ainsi une forte poussée vers l'avant. Lors du retour, la rame se replie, fendant l'eau avec un minimum de traînée. Cela crée une poussée nette qui propulse le robot vers l'avant. Sur terre, le même schéma de vibration fonctionne différemment. Le corps du robot est légèrement incliné, de sorte que lorsqu'une patte balance vers l'arrière, elle frappe le sol avec force pour pousser le robot vers l'avant. Lorsqu'elle balance vers l'avant, elle se lève légèrement dans les airs, évitant ainsi la friction. Ce mouvement simple, unidirectionnel, permet au robot de courir et de nager en utilisant exactement la même configuration mécanique.

Pour prouver que ce concept fonctionne dans le monde réel, l'équipe a construit un prototype et l'a testé dans un environnement contrôlé. Ils ont équipé le robot d'une petite batterie au lithium et d'un circuit de contrôle sans fil, le rendant totalement autonome. Lors de tests sur une surface en plastique, le robot a atteint une vitesse de pointe de 32,5 centimètres par seconde, soit environ 15,5 fois sa propre longueur de corps par seconde. Sur l'eau, il a atteint 11,3 centimètres par seconde, soit 5,4 longueurs de corps par seconde. Ces vitesses sont nettement plus rapides que celles de n'importe quel autre robot non relié de cette taille. Le robot a également fait preuve d'une agilité impressionnante, capable de tourner sur le sol à un taux de 760 degrés par seconde et de tourner sur l'eau à 450 degrés par seconde. Il pouvait naviguer autour d'obstacles flottants, écarter des débris légers et même grimper une pente douce pour passer de l'eau à la terre et inversement.

Les chercheurs ne se sont pas contentés d'essais et d'erreurs ; ils ont utilisé des modèles informatiques pour comprendre exactement comment le robot se déplaçait. Ils ont découvert que la vitesse du robot dépend fortement de la fréquence de ses vibrations. Lorsque la fréquence de vibration correspond à la résonance naturelle de la structure du robot, le mouvement devient le plus efficace, générant la vitesse maximale possible. Ils ont également découvert que la taille de la rame de natation et la rigidité de sa charnière étaient des facteurs critiques. Si la rame était trop grande ou la charnière trop rigide, le robot ne pourrait pas se déplacer aussi vite. En affinant ces détails, ils ont optimisé la conception pour garantir des performances de pointe. L'étude confirme qu'il est possible de créer une machine qui soit à la fois incroyablement petite et incroyablement rapide, à condition qu'elle utilise une stratégie de mouvement qui respecte la physique de l'air et de l'eau.

Cette réussite marque une étape importante dans le domaine de la microrobotique. Jusqu'à présent, la plupart des petits robots capables de se déplacer sur terre et sur l'eau étaient soit trop lents, soit trop volumineux, soit nécessitaient un fil pour l'alimentation électrique. Ce nouveau robot montre qu'un mécanisme unique et simple peut répondre aux exigences complexes de deux mondes différents. Cela ouvre la voie à de futures machines qui pourraient explorer des zones de catastrophe, rechercher des survivants dans des zones inondées ou surveiller des écosystèmes délicats sans les perturber. Les chercheurs ont noté que si leur robot actuel fonctionne bien sur des surfaces lisses, les versions futures devront s'adapter à des terrains plus accidentés comme le sable ou l'herbe. Ils prévoient également d'ajouter des capteurs visuels afin que le robot puisse naviguer de manière autonome sans contrôle humain. Pour l'instant, cependant, la démonstration d'un robot de 2,1 centimètres courant et nageant à grande vitesse constitue une preuve claire que les astuces de la nature peuvent être transférées avec succès en ingénierie, créant des machines aussi agiles que les insectes qui les ont inspirés.