Étude : ailes biomimétiques pour une précision de 99 % dans la détection du vent avec capteurs

ParisDes chercheurs de l'Institut des Sciences de Tokyo, dirigés par le professeur associé Hiroto Tanaka, ont réalisé une avancée majeure dans la technologie de détection du vent. S'inspirant de la structure naturelle des ailes d'oiseaux et d'insectes, ils ont utilisé des capteurs de déformation sur des ailes souples et battantes pour déterminer la direction du vent avec une précision remarquable. Grâce à sept jauges de contrainte placées sur les ailes, cette méthode permet de déterminer avec exactitude la direction du vent dans 99 % des cas. L'étude, publiée dans Advanced Intelligent Systems, souligne le potentiel des conceptions biomimétiques dans les systèmes de vol robotisés.

Le processus comprenait :

Un dispositif utilise des ailes flexibles inspirées de celles des colibris. Sept jauges de contrainte commerciales sont fixées à ces ailes. Les conditions de vol sont simulées dans une soufflerie avec un flux d'air faible de 0,8 m/s. Un modèle de réseau de neurones convolutifs est employé pour déterminer la direction du vent à partir des données de contrainte.

Les ailes ont été conçues avec des axes effilés pour soutenir le film des ailes, imitant celles des véritables ailes. Un moteur à courant continu animait le mouvement de battement à une fréquence de 12 cycles par seconde. Les données de déformation recueillies lors de ces battements ont démontré que le système pouvait déterminer la direction du vent avec une précision de 99,5 % en utilisant un cycle de battement complet.

Cycles encore plus courts, tels que 0,2 cycle, ont maintenu une précision supérieure à 85 %. Lorsqu'un seul jauge de contrainte était utilisée, la précision restait impressionnante, située entre 95,2 % et 98,8 % pour un cycle complet. Cependant, la précision chutait considérablement pour des durées de données plus courtes. L'élimination de parties de l'aile interne a diminué la précision, mais moins sensiblement lorsque davantage de données étaient disponibles.

Selon cette recherche, les oiseaux pourraient utiliser des techniques similaires pour appréhender leur environnement en vol. Cette méthode pourrait améliorer la conception de petits robots aériens légers en leur permettant de percevoir et de réagir aux conditions du vent sans équipement lourd. Grâce à une technologie simple et abordable, ces robots pourraient atteindre une navigation et une stabilité avancées.

Méthodologie et résultats

Les chercheurs de l'Institut des Sciences de Tokyo ont développé une méthode novatrice pour détecter la direction du vent à l'aide d'ailes articulées et flexibles. S'inspirant des oiseaux et des insectes, qui possèdent des capteurs de déformation naturels sur leurs ailes, ils ont reproduit ce mécanisme en installant sept jauges de contrainte sur des ailes artificielles, connectées à un modèle de réseau neuronal. Voici comment ils ont procédé.

Capteurs de déformation sur ailes flexibles imitant les colibris testés dans un tunnel aérodynamique :

• Installation de capteurs de déformation sur des ailes flexibles imitant les mouvements des colibris.
• Utilisation d'un tunnel aérodynamique pour simuler des conditions de vent léger.
• Expérimentation avec différentes inclinaisons du vent, de zéro à quatre-vingt-dix degrés, ainsi qu'une situation sans vent.
• Recueil et analyse des données de déformation des ailes à l’aide d’un réseau de neurones convolutifs.

Les résultats ont démontré une précision remarquable. En utilisant un cycle complet de battement d'ailes, ils ont atteint une précision de 99,5 % dans la détection de la direction du vent. Même avec seulement 0,2 cycle, la précision restait élevée à 85,2 %. Ces résultats indiquent qu'il est possible de détecter le vent en temps réel avec des données minimales. Ils ont également utilisé un mécanisme de bielle écossaise pour un mouvement d'ailes contrôlé.

En outre, les tests ont révélé que les structures internes des ailes améliorent les performances des capteurs. Lorsque ces structures sont retirées, la précision diminue légèrement. Cela indique que le design des ailes joue un rôle crucial dans les capacités de détection. L'étude montre globalement que de simples jauges de contrainte pourraient remplacer efficacement les capteurs volumineux dans les petits robots volants. C'est une avancée majeure, car les capteurs traditionnels sont souvent trop lourds ou encombrants pour ces applications.

Les recherches démontrent que les ailes conçues peuvent imiter les capacités naturelles de détection du vent des oiseaux. Cela permet aux robots de mieux voler dans diverses conditions venteuses, les rendant ainsi plus adaptables et efficaces. Les méthodes utilisées sont à la fois économiques et réalistes pour des applications robotiques pratiques. Ces découvertes pourraient ouvrir la voie à des systèmes de contrôle améliorés pour les drones à ailes battantes.

Conséquences pour la robotique

Les ailes battantes biomimétiques équipées de capteurs de contrainte intégrés offrent des perspectives prometteuses pour l'avenir de la robotique. Cette technologie permet de concevoir des robots aériens plus efficaces et adaptables. Parmi les principaux avantages de l'utilisation de ces méthodes innovantes de détection du vent figurent :

• Précision améliorée du contrôle de vol
• Diminution des besoins en capteurs encombrants et en électronique
• Adaptabilité accrue aux variations des conditions environnementales

L'intégration de capteurs de déformation dans des ailes flexibles imitant les oiseaux et les insectes représente une révolution dans la conception des robots. En s'inspirant des mécanismes de la nature, les ingénieurs peuvent surmonter les problèmes de poids et de complexité qui ont freiné le développement de petits robots volants. Cette méthode permet aux robots de percevoir directement les conditions du vent sans équipement supplémentaire, ce qui réduit le poids et est essentiel pour conserver l'efficacité en vol.

Les robots munis de ces ailes avancées pourraient naviguer plus aisément dans les environnements urbains, s'adaptant aux changements imprévus des vents. La précision dans la détection de la direction du vent aide les drones à maintenir des trajets de vol stables, crucial pour les services de livraison et les opérations de recherche et sauvetage. De plus, la capacité à évaluer et à réagir rapidement aux variations de flux d'air peut prolonger l'autonomie de la batterie en optimisant l'utilisation de l'énergie pendant le vol.

L'adaptabilité démontrée dans l'étude suggère des applications pratiques au-delà de la simple navigation. Les ailes biomimétiques peuvent également être utiles pour des drones de surveillance et de collecte de données environnementales. Grâce à la perception des efforts sur les ailes, ces petits robots peuvent mieux comprendre leur environnement, devenant ainsi plus autonomes et nécessitant moins d'intervention humaine. Cela augmenterait aussi leur efficacité dans des tâches comme l'évaluation de la qualité de l'air ou le suivi des migrations animales.

Intégrer des capteurs de contrainte dans les ailes battantes biomimétiques pourrait révolutionner le domaine de la robotique. Cela permet non seulement un moyen plus naturel et efficace de détecter précisément le vent, mais ouvre également la voie à des robots aériens plus intelligents, légers et réactifs.