Un minuscule robot ressemblant à une grenouille utilise des tiges élastiques à déclenchement brusque pour sauter, nager et traverser des surfaces mouillées

Les roboticiennes et roboticiennes se sont inspirés des chevaux, des insectes et d'innombrables autres animaux dans leur quête de meilleures capacités de propulsion. Désormais, les grenouilles rejoignent cette liste. Une équipe de chercheurs a présenté un robot de la taille d'une paume qui emprunte à l'amphibien son talent pour les bonds soudains et puissants, en utilisant un mécanisme construit autour de tiges élastiques courbées qui passent brusquement d'une forme à une autre.

Ces travaux, publiés le 18 septembre dans la revue Science Advances, explorent comment la torsion et la flexion de tiges flexibles peuvent stocker de l'énergie puis la libérer en un instant — un « mouvement brusque » qui permet à une petite machine de se propulser vers l'avant ou de se frayer un chemin dans l'eau. Les chercheurs ont également construit un prototype fonctionnel pour démontrer l'idée en action.

Pourquoi les grenouilles font de bons robots

Les grenouilles sont des sauteuses exceptionnellement efficaces. Elles ne comptent pas sur des muscles énormes pour bondir ; elles exploitent plutôt l'énergie élastique stockée dans leurs tendons, la libérant rapidement pour se projeter loin des prédateurs ou à travers les étangs. Cette astuce biologique est attrayante pour les ingénieurs car elle contourne une contrainte fondamentale des petits robots : plus une machine est petite, plus il est difficile d'y intégrer des moteurs puissants et l'électronique nécessaire pour les contrôler.

Les auteurs de l'étude soutiennent que les mécanismes à déclenchement brusque d'inspiration biologique pourraient ouvrir une voie intermédiaire. Plutôt que de dimensionner des moteurs plus grands, ils suggèrent de construire des robots dont la structure physique elle-même prend en charge une partie du travail de locomotion — une stratégie qui pourrait bénéficier aux machines disposant de budgets énergétiques serrés, ou à celles qui doivent traverser des terrains irréguliers et même des plans d'eau.

Comment fonctionne la tige à déclenchement brusque

Le cœur de la conception est une tige flexible. Lorsque la tige est courbée en arc et que ses extrémités sont mises en rotation, une tension s'accumule à l'intérieur du matériau. Finalement, la tige atteint un seuil où elle bascule dans une nouvelle configuration, libérant cette énergie accumulée en une fraction de seconde.

Ce qui rend le système intéressant — et délicat à concevoir — c'est que cette transition n'est pas parfaitement prévisible. Selon la manière dont la flexion et la torsion sont combinées, la tige peut libérer son énergie stockée de plusieurs façons. Les chercheurs ont étudié ces combinaisons pour comprendre quelles configurations produisent un déclenchement fiable et reproductible pouvant être exploité comme un saut.

En pratique, la tige agit comme un ressort mécanique et un déclencheur réunis en un seul élément. Programmez le moment où l'énergie est stockée et celui où elle est libérée, et le robot accède à des mouvements vifs et puissants sans exiger d'un moteur qu'il fournisse en permanence une puissance élevée.

Un prototype de la taille d'une paume

Pour démontrer le concept, l'équipe a assemblé une machine compacte dont les dimensions sont plus proches d'un jouet que d'un robot conventionnel. Les chiffres clés de l'étude et du prototype incluent :

• Poids : environ 3,4 onces, à peu près le même qu'un jeu de cartes à jouer.
• Taille : suffisamment petit pour tenir dans la paume d'une main.
• Vitesse : environ trois longueurs de corps par seconde, atteinte grâce à une série de courts sauts.
• Capacités : sauter sur des surfaces mouillées, nager et naviguer sur un parcours d'obstacles.

La démonstration du parcours d'obstacles est remarquable car elle teste le robot en dehors d'un environnement de laboratoire contrôlé. Une machine capable de sauter, d'atterrir, de se réorienter et de continuer à se déplacer doit faire face à l'imprévisibilité — sol glissant, obstacles et passage d'un terrain sec à l'eau — en utilisant un répertoire mécanique simple plutôt qu'un calcul embarqué complexe.

Laisser la mécanique faire le travail

Xiaonan (Sean) Huang, professeur adjoint de robotique à l'Université du Michigan et co-premier auteur de l'étude, a présenté le projet comme un moyen de redistribuer l'effort entre le matériel et le logiciel de contrôle. La possibilité plus large, a-t-il déclaré dans un communiqué, est de laisser la mécanique du robot prendre en charge une partie du travail qui exigerait autrement des moteurs plus gros ou des systèmes de contrôle plus élaborés.

En programmant le moment où une structure élastique stocke de l'énergie et celui où elle la libère rapidement, a expliqué Huang, les ingénieurs peuvent donner aux petits robots des mouvements puissants et reproductibles sans constamment pousser les moteurs à leurs limites. Ce cadrage renvoie à une tendance plus large dans la recherche en robotique : au lieu d'ajouter davantage d'actionneurs et de calcul, les concepteurs cherchent des moyens d'intégrer l'intelligence et les capacités directement dans le corps de la machine.

Où les robots sauteurs et nageurs pourraient être utiles

Les chercheurs décrivent plusieurs contextes où une petite machine économe en énergie dotée de talents amphibies pourrait s'avérer utile :

• Des terrains encombrés où les roues et les chenilles peinent, comme les décombres ou une végétation dense.
• Des environnements nécessitant une évitement rapide des obstacles ou une réorientation soudaine.
• Des missions qui traversent la frontière entre terre et eau, où une seule stratégie de locomotion ne suffit pas.
• Des déploiements où la capacité de la batterie ou la puissance du moteur sont sévèrement limitées par la taille.

Huang a noté que le principe pourrait à terme soutenir des robots qui doivent naviguer sur un sol chaotique et parsemé d'obstacles, franchir des barrières, se retourner rapidement ou opérer à la fois en milieu terrestre et aquatique. Cette combinaison d'agilité et d'efficacité est précisément ce qui fait des grenouilles des généralistes si efficaces dans le monde naturel.

Ce qui vient ensuite

L'étude est une preuve de concept plutôt qu'un produit fini. Les mécanismes à déclenchement brusque sont intrinsèquement difficiles à contrôler avec précision, et le fait qu'une tige courbée et torsadée ne libère pas toujours son énergie de la même manière est à la fois une opportunité et un défi pour les ingénieurs qui espèrent construire des allures fiables.

Néanmoins, les performances du prototype — environ trois longueurs de corps par seconde sur sol mouillé et dans l'eau — suggèrent que l'approche a des marges de progression. À mesure que les chercheurs cartographient plus thoroughly la relation entre flexion, torsion et déclenchement brusque, ils pourraient être en mesure de concevoir des structures élastiques qui produisent des sauts spécifiques et reproductibles à la demande. Si cela se produit, l'humble grenouille pourrait finir par façonner une génération de petits robots qui bondissent là où les machines plus grandes ne peuvent pas suivre.

Cet article est basé sur un reportage de Live Science. Lire l'article original.