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L'Usine Aéro

Comment les perruches et les abeilles inspirent les roboticiens

Intissar El Hajj Mohamed , , , ,

Publié le

Vidéo En mimant le pilotage naturel des oiseaux et insectes, les chercheurs français parviennent à augmenter l’agilité des robots aériens.

Comment les perruches et les abeilles inspirent les roboticiens
Le robot aérien Quad-Morphing vole sans difficulté entre les obstacles. © Valentin Rivière et Stéphane Viollet
© Valentin Rivière et Stéphane Viollet

Dans un article publié le 29 mai dans le journal scientifique Soft Robotics, des chercheurs au CNRS d’Aix-Marseille présentent Quad-Morphing, un robot aérien capable de modifier sa forme en plein vol pour se faufiler entre les obstacles. Pour un robot de grande taille, 46 cm de long et 26 de large, c’est une première mondiale. “Quad-Morphing se replie dans l’air et passe ainsi par l’ouverture sans faire de manoeuvre agressive”, explique à L'Usine Nouvelle Stéphane Viollet, directeur de recherche à l’Institut des sciences du mouvement et responsable de l’équipe derrière cette invention.

Quad-Morphing, la démonstration. © Valentin Rivière et Stéphane Viollet, Institut des sciences du mouvement – Étienne Jules Marey (CNRS/Aix-Marseille Université)

La souplesse du dispositif repose sur sa morphologie. Le robot est un “quadrirotor” : il est doté d'un axe central muni de deux bras avec un rotor sur les extrémités de chacun. Quatre rotors en tout disposés en rectangle à l’état déplié. Une fois que le robot se rapproche d’une ouverture étroite, il change vite de configuration ; les bras, tirés par son système de câbles élastiques et de poulies, tournent. Les hélices se retrouvent alors alignées sur une droite.

Mais ce système n’est pas autonome : il fonctionne dans une salle spéciale équipée de 17 caméras. Celles-ci capturent le mouvement grâce à un système de localisation 3D et informent les scientifiques sur l’”ordre” à donner via un ordinateur.

Stéphane Viollet précise : “la prochaine étape est d’équiper Quad-Morphing d’une caméra" et il sera capable de décider tout seul de son repliement. Les tests devraient commencer très bientôt, avec une caméra hautement performante (120 images/seconde). Les applications possibles sont nombreuses : missions de secours, balayage des régions sinistrées, et même les sports mécaniques comme le “drone racing” (course de drones). 

La mécanique animale du vol

 

Au laboratoire de biorobotique de l'université de Queensland, les perruches sont entraînées à traverser des ouvertures de plus en plus étroites. © Ingo Schiffner et Hong Vo

 

L’équipe française s’est inspirée des travaux d’une équipe de l’université de Queensland en Australie : celle du professeur Mandyam Srinivasan, lauréat du Prix des Sciences accordé par le Premier Ministre en 2006, pour ses travaux sur les insectes et la biorobotique.

Mandyam Srinivasan étudie le mécanisme par lequel insectes et oiseaux s’introduisent dans les ouvertures étroites sans fracas.  Interrogé sur ce qui l’a amené à étudier ce comportement, le roboticien plaisante sur la chance qu’il a eu : “On entraînait des abeilles à venir au laboratoire, mais elles s’obstinaient à entrer par un trou dans le mur plutôt que par la porte !”, raconte-t-il à L'Usine Nouvelle. La théorie est que les abeilles cherchent constamment un raccourci : elles carburent au nectar qu’elles acheminent vers la ruche, et prennent donc le plus court chemin pour économiser la nourriture. Ce qui avait intrigué les scientifiques était l’aise avec laquelle les abeilles parcourent l’espace exigu.

La stratégie naturelle a été dénommée le “flux optique”. “Le flux optique, définit le chercheur, est la séquence d’images captées par l’observateur en mouvement”. Contrairement aux humains, les insectes et les oiseaux ont les yeux trop rapprochés, et ne peuvent donc pas compter sur leur vision binoculaire pour estimer les distances. Au lieu de cela, ils se contentent de “parcourir le monde”, bouger. Simple,  le principe du flux optique réside dans la relativité : en se déplaçant dans les airs, l’insecte utilise sa vision pour se maintenir au centre. S’il est plus proche d’un bord que de l’autre, celui-ci parait bouger à une plus grande vitesse. Bien qu’en vérité les obstacles soient inertes, l’abeille fait en sorte de garder leur vitesse perçue constante et égale. Comment en est-on arrivé là ? “Malheureusement, nous ne pouvons pas poser la question à une abeille, continue le chercheur de Brisbane, alors on se cantonne aux expériences.” Ces dernières consistent à duper l’abeille. Deux panneaux sont placés face à face, l’un gardé immobile, et le second manipulé ; se croyant sur le point de s’écraser, l’abeille s’éloigne du deuxième. Elle vient d’utiliser son auto-pilote économe qui mesure la vitesse de l’image.

Replier ses ailes

Les manoeuvres de Quad-Morphing s’apparentent à un volet supplémentaire d’études : le repliement des ailes des perruches. Et pour cause, elles sont bien conscientes de leur taille et de l’envergure de leurs ailes. Les scientifiques avaient tité cette conclusion en invitant la perruche à passer au travers d’une fente de plus en plus petite. La stabilisation est cruciale : “une fois les ailes fermées, l’oiseau perd le contrôle, son vol n’est désormais dicté que par la physique et il tombe comme un caillou.” L’oiseau sait exactement quand fermer les ailes, se stabiliser, les rouvrir, et se stabiliser à nouveau, alors qu’il est encore loin. En mesurant le flux optique, les insectes et les oiseaux mesurent donc leur propre mouvement : selon Mandyam Srinivasan, c’est l’“egomotion”.

Quad-Morphing ne se déforme pas de la même manière mais sa technique est similaire. En effet, traduit en algorithmes, la mesure du flux optique est intégrée dans les robots. “Les ingénieurs les développent facilement, élabore le professeur, une caméra intégrée au robot filme la scène. L’algorithme calcule de combien de pixels une image doit bouger pour correspondre à l’identique à l’image précédente, et il déduit ainsi la distance.” Mimant ainsi la perruche, le robot se centre sans se cogner. Les humains sont moins doués pour mesurer le flux optique - probablement parce qu’on est “trop prudent”, émet le chercheur en biorobotique. Et comment des animaux au cerveau aussi minuscule s’y prennent est encore incompris. “Cela doit être intrinsèque, il ne s’agit sûrement pas d’un apprentissage, puisque les abeilles ne vivent que trois semaines”, imagine Mandyam Srinivasan. Néanmoins, tester des hypothèses sur les robots aériens servira à faire avancer la recherche.

                                                                                                                                                                           
 

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