Les robots mous qui peuvent s’enfouir sous terre sont-ils un avantage ou une horreur extraterrestre ?

Alors que les scientifiques ont développé des robots capables de voler, nager et naviguer sur des terrains accidentés sur terre, la capacité de ces machines complexes à pénétrer sous terre et à explorer sous le paysage terrestre a jusqu’à présent été limitée.

Jusqu’à présent, grâce à chercheurs de l’UC Santa Barbara et du Georgia Institute of Technology, qui ont développé un robot souple rapide et contrôlable capable de naviguer dans les espaces souterrains, ont-ils déclaré.

Les plantes et les animaux ont inspiré les chercheurs à développer le robot, qui résout certains défis antérieurs auxquels les scientifiques ont été confrontés pour créer une machine qui peut non seulement pénétrer dans la terre, mais aussi avoir le pouvoir de refaire surface.

« Les plus grands défis liés au déplacement sur le sol sont simplement les forces impliquées », a déclaré Nicholas Naclerio, un étudiant chercheur diplômé du laboratoire du professeur de génie mécanique de l’UC Santa Barbara, Ethan Hawkes, qui a dirigé la recherche.

Développer des robots capables de voler ou de nager n’est pas aussi difficile, car ni l’air ni l’eau n’offrent une résistance significative aux objets qui les traversent. Cependant, « si vous essayez de vous déplacer dans le sol, vous devez pousser le sol, le sable ou tout autre support à l’écart », a-t-il expliqué dans un communiqué de presse.

Conception inspirée du biomimétisme

Les chercheurs ont étudié à la fois les plantes et les animaux fouisseurs pour s’inspirer de leurs travaux. En ce qui concerne les plantes, la façon dont elles naviguent en poussant à partir de leurs pointes tout en gardant un corps enraciné et stationnaire a été l’inspiration pour le robot ressemblant à une vigne qu’ils ont développé.

Sous terre, l’extension de la pointe maintient les forces de résistance faibles et localisées uniquement à l’extrémité en croissance, ont déclaré les chercheurs. Dans le robot, ils l’ont utilisé comme modèle de conception afin de ne pas créer de friction sur toute la surface du robot qui augmenterait à mesure qu’une plus grande quantité pénétrait dans le sable, ce qui l’empêcherait de bouger, ont-ils déclaré.

En termes d’animaux, les chercheurs se sont penchés sur la pieuvre des sables du sud, qui expulse un jet d’eau dans le sol et utilise ensuite le sable meuble pour se déplacer. Ils ont ensuite appliqué cette idée de fluidisation granulaire, ou la suspension des particules dans un état semblable à un fluide afin que les animaux puissent surmonter le niveau élevé de résistance présenté par le sable ou le sol meuble, à la conception du robot.

Suite à cette idée, les chercheurs ont ajouté un dispositif d’écoulement basé sur une pointe qui projette de l’air dans la région juste avant l’extrémité en croissance de la « vigne », ce qui permet au robot de se déplacer dans cette zone, ont-ils déclaré.

Surmonter les défis

Les chercheurs ont découvert que le plus grand défi pour contrôler le mouvement du robot était lorsqu’il se déplaçait horizontalement, a déclaré Naclerio. Dans ces cas, il ferait toujours surface à la place.

L’équipe a découvert que cela est dû au fait que, bien que les gaz ou les liquides s’écoulent uniformément sur et sous un objet mobile symétrique, la distribution de la force n’est pas aussi équilibrée dans le sable fluidisé, a-t-il déclaré. Cela crée alors une force de levage importante pour le robot se déplaçant horizontalement, a déclaré Naclerio.

« Il est beaucoup plus facile de pousser le sable vers le haut et de l’écarter que de le compacter », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont tournés vers la physique, en prenant des mesures de traînée et de portance qui résultent de différents angles de flux d’air à partir de la pointe d’une tige solide enfoncée horizontalement dans le sable, ont-ils déclaré. Ils ont découvert que la réponse de la force de friction dans les matériaux granulaires est très différente de celle des lois de Newton pour les fluides, car une friction élevée peut compacter et contraindre de vastes zones de terrain dans la direction du mouvement.

Pour atténuer cela, les chercheurs ont utilisé un fluide à faible densité qui soulève et éloigne les grains d’un intrus – dans ce cas, le robot – pour réduire la contrainte de friction nette qu’il doit surmonter, ont-ils déclaré.

Ils se sont également inspirés d’une autre créature, le lézard poisson de sable, qui a une tête en forme de coin qui favorise le mouvement vers le bas. Cet aspect de conception a permis aux chercheurs de moduler les forces de résistance et de maintenir le robot en mouvement horizontal sans sortir du sable, ont-ils déclaré.

Regarder vers l’avant

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Robotique scientifique.

Il existe de nombreuses applications potentielles pour le robot souple, notamment l’échantillonnage du sol, l’installation souterraine de services publics et le contrôle de l’érosion, ont déclaré les chercheurs.

La conception de la machine, en particulier l’extension de la pointe qui permet des changements de direction tout en permettant au corps du robot de rester fermement ancré, est également propice à l’exploration dans des environnements à faible gravité. Pour cette raison, la NASA est intéressée à utiliser le robot souple pour une enquête potentielle sur d’autres planètes et lunes, ont déclaré les chercheurs.

À cette fin, l’équipe travaille avec l’agence spatiale spécifiquement pour développer des terriers pour la lune de la Terre ou même Encelade, une lune de Jupiter, ont-ils déclaré.

Dans l’ensemble, les efforts de l’équipe pour acquérir une meilleure compréhension mécanique de la façon dont les plantes et les animaux naviguent dans les environnements souterrains ouvrent également la voie à d’autres innovations scientifiques et technologiques, a observé Daniel Goldman, professeur à Georgia Tech qui a travaillé sur le projet.

« La découverte des principes par lesquels divers organismes nagent et creusent avec succès dans les milieux granulaires peut conduire au développement de nouveaux types de mécanismes et de robots qui peuvent tirer parti de ces principes », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Et réciproquement, le développement d’un robot doté de telles capacités peut inspirer de nouvelles études animales ainsi que mettre en évidence de nouveaux phénomènes dans la physique des substrats granulaires. »