Les microfliers, ou robots miniatures sans fil déployés en grand nombre, sont parfois utilisés aujourd'hui à des fins de surveillance et de contrôle à grande échelle, comme dans le cadre d'études environnementales ou biologiques. En raison de leur capacité à se disperser dans l'air, ils peuvent s'étendre sur de vastes zones après avoir été largués d'un seul endroit, y compris dans des endroits où l'accès est autrement difficile. De plus, ils sont plus petits, plus légers et moins chers à déployer que plusieurs drones.
L'un des défis liés à la création de microfliers plus efficaces a été de réduire la consommation d'énergie. Une façon d’y parvenir, comme l’ont démontré des chercheurs de l’Université de Washington (UW) et de l’Université Grenoble Alpes, est de se débarrasser de la batterie. En s'inspirant de l'art japonais du pliage du papier, l'origami, ils ont conçu des microfliers programmables qui peuvent se disperser dans le vent et changer de forme grâce à un actionnement électronique. Ceci est réalisé grâce à un actionneur alimenté par l'énergie solaire qui peut produire jusqu'à 200 millinewtons de force en 25 millisecondes.
"Considérez ces petits dépliants comme une plate-forme de capteurs pour mesurer les conditions environnementales, comme la température, la lumière et d'autres choses."
—VIKRAM IYER, UNIVERSITÉ DE WASHINGTON
"Ce qui est intéressant avec ces dessins en origami, c'est que nous avons créé un moyen pour eux de changer de forme dans les airs, sans aucune pile", explique Vikram Iyer, informaticien et ingénieur à l'UW, l'un des auteurs. "Il s'agit d'un changement de forme assez minime, mais cela crée un changement très spectaculaire dans le comportement de chute… qui nous permet d'avoir un certain contrôle sur la façon dont ces objets volent."
États de culbutage et stables : A) Le microflier en origami est ici dans son état de culbutage et B) dans sa configuration après l'atterrissage. En descendant, le dépliant dégringole, avec un motif de chute typique illustré en C. D) Le microflier en origami est ici dans son état de descente stable. La gamme de lieux d'atterrissage des aviateurs, E, révèle ses schémas de dispersion après avoir été libérée de son drone parent.
Cette recherche s’appuie sur les travaux antérieurs des chercheurs publiés en 2022, démontrant des capteurs capables de se disperser dans l’air comme les graines de pissenlit. Pour la présente étude, "l'objectif était de déployer des centaines de ces capteurs et de contrôler où ils atterrissent, pour réaliser des déploiements précis", explique le co-auteur Shyamnath Gollakota, qui dirige le Mobile Intelligence Lab à WU. Les microfliers, pesant chacun moins de 500 milligrammes, peuvent parcourir près de 100 mètres dans une légère brise et transmettre sans fil des données sur la pression atmosphérique et la température via Bluetooth jusqu'à une distance de 60 mètres. Les conclusions du groupe ont été publiées dans Science Robotics plus tôt ce mois-ci.
Découvrir la différence dans le comportement de chute des deux états d'origami était un hasard, explique Gollakota : "Quand c'est plat, c'est presque comme une feuille, tombant [dans] le vent", dit-il. "Un très léger changement de plat à un peu de courbure [le fait] tomber comme un parachute dans un mouvement très contrôlé." Dans leur état de chute, lors de rafales de vent latérales, les microvoleurs atteignent jusqu'à trois fois la distance de dispersion que dans leur état stable, ajoute-t-il.
Ce gros plan du microflier révèle l'électronique et les circuits sur sa face supérieure.
Il existe d'autres systèmes basés sur l'origami dans lesquels des moteurs, des actionneurs électrostatiques, des alliages à mémoire de forme et des polymères électrothermiques, par exemple, ont été utilisés, mais ceux-ci n'ont pas répondu aux défis auxquels sont confrontés les chercheurs, explique Gollakota. L'une d'elles consistait à trouver le juste milieu entre un mécanisme d'actionnement suffisamment puissant pour ne pas changer de forme sans être déclenché, et suffisamment léger pour maintenir une faible consommation d'énergie. Ensuite, il devait produire une réponse de transition rapide tout en tombant au sol. Enfin, il lui fallait intégrer une solution légère de stockage d’énergie pour déclencher la transition.
Il leur a fallu un an pour mettre au point le mécanisme, que Gollakota qualifie de « plutôt logique ». Il y a une tige au milieu de l'origami, comprenant une bobine solénoïde (une bobine qui agit comme un aimant lorsqu'un courant la traverse) et deux petits aimants. Quatre tiges articulées en fibre de carbone fixent la tige aux bords de la structure. Lorsqu'une impulsion de courant est appliquée à la bobine du solénoïde, elle pousse les aimants l'un vers l'autre, faisant en sorte que la structure prenne sa forme alternative.
Tout ce qu'il faut, c'est un tout petit peu de puissance, juste assez pour placer les aimants à la bonne distance les uns des autres pour que les forces magnétiques fonctionnent, explique Gollakota. Il existe un ensemble de cellules solaires fines et légères pour récupérer l'énergie, qui est stockée dans un petit condensateur. Le circuit est fabriqué directement sur la structure pliable en origami et comprend également un microcontrôleur, une minuterie, un récepteur Bluetooth et des capteurs de pression et de température.
"Nous pouvons programmer ces éléments pour déclencher le changement de forme en fonction de l'un de ces éléments - après un temps fixe, lorsque nous lui envoyons un signal radio, ou à une altitude [ou une température] détectée par cet appareil", ajoute Iyer. La structure de l'origami est bistable, ce qui signifie qu'elle n'a besoin d'aucune énergie pour conserver sa forme une fois la transition effectuée.
Les chercheurs affirment que leur conception peut être étendue pour intégrer des capteurs destinés à diverses applications de surveillance environnementale. "Considérez ces petits avions comme une plate-forme de capteurs permettant de mesurer les conditions environnementales, comme la température, la lumière et d'autres choses, [et] la façon dont elles varient dans l'atmosphère", explique Iyer. Ils peuvent également déployer des capteurs sur le terrain pour des activités telles que l’agriculture numérique, les études liées au changement climatique et le suivi des incendies de forêt.
Dans leur prototype actuel, les microfliers ne changent de forme que dans un sens, mais les chercheurs souhaitent les faire évoluer dans les deux sens, pour pouvoir basculer entre les deux états et mieux contrôler la trajectoire. Ils imaginent également un essaim de microvoleurs communiquant entre eux, contrôlant leur comportement et organisant eux-mêmes leur chute et leur dispersion.
L'article est reproduit sur le site Internet :https://spectrum.ieee.org/topic/robotics/#toggle-gdpr
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