Publié le : 20 avril 2025 / Mis à jour le : 20 avril 2025 – Auteur : Konrad Wolfenstein
Biomimétisme en microrobotique avec RoboBee et autres : Comment les techniques d'atterrissage des insectes inspirent la robotique – Image créative : Xpert.Digital
Inspiré par la nature : comment le biomimétisme repousse les limites de la robotique
De minuscules assistants : les robots insectes conquièrent l'agriculture, la médecine et bien plus encore
La nature a développé des solutions remarquables face à des défis complexes au fil de millions d'années. C'est précisément cette efficacité et cette élégance des systèmes naturels qui inspirent de plus en plus les scientifiques dans le développement de technologies robotiques avancées. En particulier dans le domaine de la microrobotique, le biomimétisme inspiré des insectes a permis des avancées impressionnantes. Les progrès récents en matière de techniques d'atterrissage pour microrobots, inspirés d'insectes tels que les tipules et les abeilles, démontrent de façon éloquente comment la nature peut servir de modèle pour des solutions techniques innovantes.
Principes fondamentaux de la biomimétie en robotique
La biomimétie, aussi appelée bionique, décrit le transfert systématique de mécanismes et de processus naturels vers la technologie. Cette approche interdisciplinaire suscite un intérêt croissant dans des domaines tels que la science des matériaux, la robotique, les énergies renouvelables, la médecine et les technologies de l'information. Plutôt que de simplement copier la nature à l'identique, les scientifiques cherchent à comprendre les principes sous-jacents et à les adapter à des applications techniques.
Les ingénieurs ont toujours puisé leur inspiration dans la nature, explique Hartmut Witte, directeur du département de biomécatronique de l'Université technique d'Ilmenau. La bionique permet non seulement de promouvoir et de systématiser cette capacité d'association, mais aussi d'élargir les fondements du développement de produits techniques. L'évolution a produit des organismes parfaitement adaptés à leur environnement, et ces adaptations constituent de précieux modèles pour les innovations technologiques.
Lorsque les principes biologiques sont appliqués à la technologie, il devient évident que la véritable bionique ne se manifeste pas par des caractéristiques externes, explique Witte. Il ne s'agit pas simplement d'imiter la forme extérieure, mais d'adapter les principes fonctionnels que la nature a perfectionnés.
Convient à:
Microrobots inspirés des insectes : des merveilles techniques miniatures
De par leur taille, leur efficacité et leurs remarquables capacités, les insectes constituent des modèles idéaux pour le développement de microrobots. Leurs caractéristiques de vol très élaborées, leurs mécanismes de locomotion et leur adaptabilité ont inspiré des chercheurs du monde entier à reproduire techniquement ces systèmes biologiques.
RoboBee : le microrobot volant de Harvard
L'un des exemples les plus connus de robotique inspirée des insectes est le RoboBee de l'Université Harvard. Ce minuscule robot volant ne pèse qu'un dixième de gramme et son envergure est de seulement 3 centimètres. Le RoboBee se compose de trois éléments principaux : un corps en fibre de carbone, des ailes ultra-fines et un « cerveau » constitué d'un ensemble de capteurs intelligents.
Les ailes sont actionnées par des actionneurs piézoélectriques, un type de muscle artificiel qui convertit l'énergie électrique en mouvement. Cette technologie permet au microrobot de voler, de faire du surplace et d'effectuer des manœuvres complexes comme une véritable abeille.
Autres exemples de microrobots inspirés des insectes
Des ingénieurs de l'Université de Californie à Berkeley ont mis au point un robot volant encore plus petit, inspiré des insectes. Avec un diamètre inférieur à 1 cm et un poids de seulement 21 mg, il s'agit du plus petit robot sans fil au monde capable de vol contrôlé. Contrairement au RoboBee, ce robot utilise des champs magnétiques externes pour sa propulsion et son pilotage.
Des chercheurs en bionique du Georgia Institute of Technology ont mis au point des microrobots imitant le comportement des fourmis. Ces minuscules robots mesurent seulement 1,8 millimètre de large, 0,8 millimètre d'épaisseur et pèsent environ 5 milligrammes. Leur vision : des essaims de ces insectes électroniques pourraient assurer la pollinisation des plantes en agriculture.
Le défi d'un atterrissage en toute sécurité
L'un des principaux défis pour les microrobots volants est l'atterrissage en toute sécurité. De par leur petite taille et leur poids léger, ils sont particulièrement sensibles aux turbulences et à l'instabilité de l'air, surtout près du sol.
Le problème d'atterrissage du RoboBee
« Jusqu’à présent, à l’atterrissage, nous coupions le moteur du véhicule au-dessus du sol, le laissions simplement tomber et espérions qu’il atterrisse debout et sans encombre », explique Christian Chan, doctorant au sein de l’équipe de recherche de Harvard. Cet atterrissage incontrôlé représentait un risque important pour les actionneurs piézoélectriques sensibles et les ailes fragiles du robot, qui pouvaient facilement être endommagés par un impact.
Le problème était exacerbé par l'effet de sol – des turbulences causées par le battement des ailes, entraînant une instabilité à l'atterrissage. Ces contraintes aérodynamiques rendent l'atterrissage contrôlé particulièrement difficile pour les petits robots volants.
Solution d'atterrissage inspirée par les moustiques
Pour résoudre ce problème, des scientifiques de l'université Harvard se sont intéressés à la tipule, un insecte aux dimensions similaires à celles du RoboBee. La tipule est capable d'atterrir avec élégance sur une grande variété de surfaces grâce à ses longues pattes flexibles qui amortissent l'impact.
S'inspirant de ce modèle naturel, l'équipe a mis au point un nouveau système d'atterrissage pour le RoboBee : quatre longues pattes articulées, semblables à celles de la tipule. Ces pattes sont suffisamment longues et flexibles pour garantir un contact optimal avec le sol avant que le corps du robot ne soit affecté par des turbulences atmosphériques.
Outre les améliorations mécaniques, les scientifiques ont également adapté le système de contrôle de vol du robot, s'inspirant du comportement à l'atterrissage des tipules. Celles-ci accélèrent depuis une position stationnaire, puis décélèrent vers la zone d'atterrissage et se posent à faible vitesse. L'énergie d'impact restante est ensuite absorbée par le train d'atterrissage mécanique.
Techniques d'atterrissage alternatives pour les microrobots
Une autre technique d'atterrissage inspirée des insectes a été mise au point par des chercheurs de l'université Harvard pour les premières versions du RoboBee. Alors que les insectes utilisent souvent une forme d'adhésif pour adhérer aux surfaces verticales, les chercheurs ont eu recours à l'attraction électrostatique pour fixer le robot à un support. Cette approche ne nécessite qu'une faible quantité d'énergie pour immobiliser ce robot léger.
Une autre avancée remarquable nous vient de l'Université d'aéronautique et d'astronautique de Nanjing (NUAA), où des chercheurs ont créé un robot insecte capable de voler et de grimper. Ce robot peut se poser sur une paroi verticale, la longer et redécoller – une capacité qu'il a démontrée sur divers matériaux comme le verre, le bois, le marbre et même l'écorce d'arbre.
Approches biomimétiques au-delà de la technologie d'atterrissage
La nature inspire les roboticiens non seulement dans le développement des techniques d'atterrissage, mais aussi dans de nombreux aspects de la microrobotique. Des mécanismes de locomotion aux systèmes d'adhérence, en passant par les concepts de propulsion, la nature offre un riche réservoir de solutions.
Systèmes de mouvement avancés
Une équipe de recherche de l'Université Harvard a mis au point un micro-robot insecte baptisé « Little Fury », doté d'une « queue » artificielle inspirée des collemboles. Ce robot est capable de sauter à une hauteur impressionnante de 1,4 mètre, soit 23 fois sa longueur. Son mécanisme de saut repose sur la furcula du collembole, qui fonctionne comme un ressort comprimé.
Des chercheurs du département de biomécatronique de l'université technique d'Ilmenau ont construit une petite chenille robotique équipée d'un matériau appelé « ruban adhésif pour geckos ». Ce matériau s'inspire des mécanismes adhésifs des geckos, des araignées et des coléoptères, qui peuvent se déplacer sur des surfaces verticales et même des plafonds sans fluides adhésifs.
Navigation autonome et comportement en essaim
Un autre domaine important de la robotique biomimétique est la navigation autonome. Des scientifiques de l'université de Lund, en Suède, ont mis au point un concept de système d'orientation pour drones inspiré du comportement d'évitement des insectes. Des observations ont montré que les abeilles utilisent l'intensité lumineuse pour se déplacer et éviter les obstacles.
Des chercheurs hongrois ont transposé le comportement grégaire des insectes aux drones. Grâce à un algorithme récemment mis au point, jusqu'à neuf appareils peuvent voler en formation et ainsi se déplacer même dans des environnements complexes comme les villes.
Convient à:
Potentiel d'application et perspectives d'avenir
Ces microrobots inspirés des insectes promettent un large éventail d'applications dans divers domaines.
Surveillance agricole et environnementale
L'une des applications potentielles les plus fascinantes est la pollinisation artificielle. Face au déclin mondial des populations d'abeilles, des essaims de RoboBees pourraient un jour contribuer à la pollinisation des plantes. De plus, ces microrobots pourraient être utilisés pour la surveillance environnementale afin de collecter des données sur des conditions environnementales inaccessibles aux drones de plus grande taille.
Reconnaissance et secours en cas de catastrophe
Grâce à leur petite taille, les microrobots inspirés des insectes pourraient être utilisés pour explorer des espaces confinés, des bâtiments effondrés ou d'autres environnements complexes. Dans les zones sinistrées, ils pourraient fournir des informations précieuses sans mettre en danger les personnes.
Applications médicales
À long terme, les robots miniaturisés pourraient même être utilisés dans le domaine médical. Des essaims de minuscules robots pourraient potentiellement effectuer des diagnostics, voire des traitements, à l'intérieur du corps humain.
Limites actuelles et développements futurs
Malgré des progrès impressionnants, les microrobots bio-inspirés restent confrontés à des défis importants. Actuellement, par exemple, le RoboBee est toujours relié à des systèmes de contrôle externes par des câbles, ce qui limite sa mobilité. Les chercheurs s'efforcent de miniaturiser les capteurs, les systèmes de contrôle et l'alimentation électrique afin de pouvoir les intégrer directement au robot volant.
La miniaturisation de ces composants est considérée comme le « triple Graal » de la microrobotique et représente un défi technique considérable. Néanmoins, la vision des chercheurs est claire : des essaims de microrobots entièrement autonomes, capables d’accomplir des tâches complexes dans des environnements variés.
La nature comme ingénieure : les progrès en microrobotique
La biomimétie a révolutionné le développement de la microrobotique en permettant aux ingénieurs de tirer parti de millions d'années d'optimisation évolutive. Les progrès récents en matière de techniques d'atterrissage inspirées des insectes pour des microrobots comme le RoboBee illustrent de façon impressionnante le potentiel de cette approche.
En imitant les systèmes naturels, les chercheurs développent non seulement des robots plus performants et robustes, mais acquièrent également de précieuses connaissances sur les mécanismes biologiques eux-mêmes. Comme l'explique Alyssa Hernandez, chercheuse postdoctorale et co-auteure de l'étude RoboBee : « Nous pouvons utiliser ces plateformes robotiques comme outils de recherche biologique et mener des études permettant de tester des hypothèses biomécaniques. »
L'avenir de la robotique biomimétique promet de nouveaux développements fascinants, les chercheurs continuant de puiser leur inspiration dans la nature, source inépuisable, pour relever les défis technologiques de notre époque. Le passage de l'observation des phénomènes naturels à leur application technologique n'est pas toujours aisé, mais comme le démontre le succès de RoboBee, il peut mener à des innovations majeures susceptibles de révolutionner de nombreux aspects de notre vie.
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