Un robot inspiré de la crevette-mante pour explorer des environnements sous-marins étroits

La nature est la principale source d’inspiration de nombreux systèmes robotiques existants, conçus pour reproduire l’apparence et le comportement de divers organismes vivants. En reproduisant artificiellement les processus biologiques, ces robots peuvent aider à résoudre plus efficacement des problèmes complexes du monde réel.

Des chercheurs de l’Université scientifique du Zhejiang et de l’Université d’Essex ont développé un robot inspiré de la crevette-mante qui pourrait aider à explorer et à surveiller des environnements sous-marins étroits, habités par de nombreuses espèces animales et riches en ressources minérales. Ce robot bio-inspiré a été présenté dans un article publié dans Transactions IEEE/ASME sur la mécatronique.

“De nombreux environnements sous-marins ont des espaces étroits difficiles d’accès pour les humains, il serait donc optimal que les robots prennent en charge leur exploration”, a déclaré Gang Chen, l’un des auteurs de l’article, à Tech Xplore. “La crevette mante est un petit prédateur flexible et nageant rapidement dans l’environnement marin, et son excellente capacité de mouvement peut fournir de nouvelles idées de recherche pour le développement de robots sous-marins. Ce travail prend la crevette mante comme objet bionique, conçoit un nouveau robot crevette mante, et complète son contrôle de mouvement.”

Inspirés par les capacités et les mouvements des crevettes-mantes, Chen et ses collègues ont entrepris de les reproduire artificiellement. Leur espoir était de développer un robot sous-marin capable de se déplacer remarquablement bien sous l’eau, imitant les mécanismes qui soutiennent les mouvements des crevettes-mantes et accédant ainsi facilement aux espaces étroits sous l’eau.

Le robot agile créé par les chercheurs, composé de 10 pléopodes artificiels et d’un corps flexible, possède de fortes capacités de propulsion. Les pléopodes sont des membres en forme de fourche attachés au corps des crustacés, qui permettent aux animaux de se déplacer dans l’eau.

“Le robot crevette-mante bionique est piloté par cinq paires de pléopodes”, a expliqué Chen. “Un équilibre entre vitesse et stabilité peut être obtenu en ajustant la fréquence de mouvement, l’amplitude et la différence de phase du mouvement de ces cinq paires de pléopodes. De plus, la connexion de chaque paire de pléopodes est indépendante, ce qui est très utile pour réparer en cas de dommages structurels sous l’eau.

Les mouvements du robot de l’équipe sont contrôlés par la flexion de son torse flexible à l’aide d’un fil, ainsi que par le mouvement de ses pléopodes artificiels. Collectivement, ces mécanismes permettent au robot d’ajuster rapidement l’angle auquel il tourne, afin de pouvoir nager dans la direction souhaitée.

“Les multiples pléopodes sont redondants, ce qui peut permettre au robot de tourner même lorsque certains pléopodes tombent en panne”, a déclaré Chen. “Le pléopode bionique est conçu avec trois articulations, dont l’une est une articulation active entraînée par un servomoteur et les deux articulations restantes sont des articulations passives, qui utilisent la résistance de l’eau pour réaliser le dépliage et le pliage.”

Essentiellement, lorsqu’un des membres du robot recule, ses trois articulations se dilatent complètement, conduisant à une propulsion maximale. En revanche, lorsque le membre revient à sa position initiale, les articulations se replient, réduisant ainsi la résistance vers l’avant. Cette conception unique exploite les caractéristiques associées à l’écoulement de l’eau pour simplifier la structure du robot, augmenter sa capacité de propulsion et faciliter son contrôle sous l’eau.

“La structure globale du robot crevette-mante bionique fait référence à la structure biologique de la crevette-mante et le corps du robot est plat avec un telson profilé pour réduire efficacement la traînée”, a déclaré Chen. “Le pléopode et le corps du robot adoptent une conception de couplage rigide-flexible pour réduire l’impact de l’eau sur le robot et améliorer la stabilité du robot en mouvement sous-marin.”

Les chercheurs ont testé un prototype de leur robot crevette-mante et ont découvert qu’il pouvait bien se déplacer sous l’eau, atteignant une vitesse maximale de 0,28 m/s et un rayon de braquage minimum de 0,36 m. Ces résultats mettent en évidence le potentiel du robot pour accomplir des missions d’exploration dans des environnements sous-marins étroits et complexes.

Notamment, la vitesse et les mouvements du robot crevette-mante peuvent être contrôlés avec précision et facilement, réduisant ainsi le risque de collision avec des obstacles sous-marins. Les chercheurs envisagent désormais de développer davantage leur système, dans l’espoir qu’il soit éventuellement utilisé pour surveiller et sauver les environnements marins.

“À l’avenir, nous nous concentrerons sur la manière de réaliser un mouvement autonome du robot crevette-mante bionique dans un environnement sous-marin étroit pour mener à bien la tâche de détection dans cet environnement”, a déclaré Chen.

“Nous prévoyons d’optimiser la structure, la forme et la conception du système matériel du robot pour améliorer sa capacité de mouvement à six degrés de liberté dans l’espace 3D et une vitesse de mouvement sous-marine plus élevée. Ensuite, l’IMU, la caméra, le capteur de profondeur et d’autres les dispositifs d’acquisition d’informations seront augmentés pour obtenir un contrôle de mouvement en boucle fermée plus précis du robot grâce à l’analyse des informations environnementales et à l’ajustement par rétroaction de sa propre posture.

Même si le robot de l’équipe a déjà obtenu des résultats encourageants, il en est encore à un stade précoce de développement. Chen et ses collègues vont maintenant continuer à améliorer et tester leur robot, pour vérifier sa capacité à naviguer dans des environnements sous-marins exigus.

“Dans nos prochaines études, nous améliorerons également la durabilité et la fiabilité de chacun des composants du robot, en utilisant de la fibre de carbone et des matériaux intégrés à haute résistance”, a ajouté Chen. “Cela pourrait jeter les bases d’applications pratiques dans des environnements sous-marins confinés.”

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