On pense que les poissons ajustent la rigidité de leur queue afin de nager efficacement sur une large plage de vitesses, mais comment et quand ils ajustent la quantité de rigidité a été un mystère. Un modèle créé par des chercheurs de l’École d’ingénierie de l’Université de Virginie qui combine la robotique, la dynamique des fluides et la biomécanique a révélé le secret du réglage de la rigidité et a permis à un robot semblable à un poisson de nager beaucoup plus efficacement qu’un poisson sans queue réglable. Crédit : Dan Quinn et Qiang Zhong
Des chercheurs de l’École d’ingénierie de l’Université de Virginie découvrent les secrets d’une nage très efficace à différentes vitesses. Une queue de poisson robotisée et un rapport mathématique élégant pourraient éclairer la conception des drones sous-marins de nouvelle génération.
Les véhicules sous-marins sont généralement conçus pour une vitesse de croisière et sont souvent inefficaces à d’autres vitesses. La technologie est rudimentaire par rapport à la façon dont les poissons nagent bien, vite ou lentement.
Que se passe-t-il si vous voulez que votre véhicule sous-marin voyage rapidement à travers des kilomètres d’océan, puis ralentissez pour cartographier un récif de corail étroit, ou accélérez jusqu’au site d’un déversement de pétrole, puis ralentissez pour prendre des mesures précises ?
Dan Quinn, professeur adjoint à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie, et son collègue, récent doctorat de l’UVA. chercheur diplômé et postdoctoral Qiang Zhong, a découvert une stratégie clé pour permettre ce type de missions à plusieurs vitesses. Ils ont démontré un moyen simple de mettre en œuvre cette stratégie dans des robots, ce qui pourrait finalement éclairer la conception de véhicules sous-marins. Leurs travaux ont été récemment publiés dans Robotique scientifique.
Lors de la conception de robots nageurs, une question qui revient sans cesse aux chercheurs est de savoir à quel point la pièce qui propulse les robots dans l’eau doit être rigide. C’est une question difficile, car la même rigidité qui fonctionne bien dans certaines situations peut échouer lamentablement dans d’autres.
“Avoir une seule rigidité de queue, c’est comme avoir un seul rapport de vitesse sur un vélo”, a déclaré Quinn, qui occupe des postes conjoints en génie mécanique et aérospatial et en génie électrique et informatique. « Vous ne seriez efficace qu’à une seule vitesse. Ce serait comme traverser San Francisco à vélo avec un vélo à pignon fixe ; vous seriez épuisé après seulement quelques pâtés de maisons.
Il est probable que les poissons résolvent ce problème en ajustant leur rigidité en temps réel : ils règlent différents niveaux de rigidité en fonction de la situation.
Le problème est qu’il n’existe aucun moyen connu de mesurer la rigidité d’un poisson nageant, il est donc difficile de savoir si et comment les poissons font cela. Quinn et Zhong ont résolu ce problème en combinant la dynamique des fluides et la biomécanique pour dériver un modèle expliquant comment et pourquoi la rigidité de la queue devrait être réglée.
“Étonnamment”, a déclaré Quinn, “un résultat simple est ressorti de tous les calculs : la rigidité devrait augmenter avec la vitesse de nage au carré.
« Pour tester notre théorie, nous avons construit un robot semblable à un poisson qui utilise un tendon artificiel programmable pour régler sa propre rigidité de queue tout en nageant dans un canal d’eau. Ce qui s’est passé, c’est que tout à coup, notre robot a pu nager sur une plage de vitesses plus large tout en utilisant presque la moitié moins d’énergie que le même robot avec une queue à rigidité fixe. L’amélioration était vraiment assez remarquable.
“Notre travail est le premier qui combine la biomécanique, la dynamique des fluides et la robotique pour étudier de manière approfondie la rigidité de la queue, ce qui aide à découvrir le mystère existant depuis longtemps sur la façon dont la rigidité de la queue affecte les performances de natation”, a déclaré Zhong. « Ce qui est encore plus fantastique, c’est que nous ne nous concentrons pas uniquement sur l’analyse théorique, mais aussi sur la proposition d’un guide pratique pour la rigidité ajustable. Notre stratégie de rigidité ajustable proposée s’est avérée efficace dans des missions de nage réalistes, où un poisson robot atteignait simultanément une vitesse élevée et une efficacité élevée.
Maintenant que l’équipe a modélisé les avantages de la rigidité réglable, elle étendra son modèle à d’autres types de natation. Le premier robot a été conçu comme un thon ; maintenant, l’équipe réfléchit à la façon dont ils pourraient atteindre les dauphins ou les têtards. Ils construisent également un robot qui émule les mouvements ondulatoires des raies pastenagues.
« Je ne pense pas que nous serons à court de projets de sitôt. Chaque animal aquatique que nous avons examiné nous a donné de nouvelles idées sur la façon de construire de meilleurs robots nageurs. Et il y a beaucoup plus de poissons dans la mer », a déclaré Quinn.
Référence : « Tunable rigidness allow fast and efficient Swimming in fish-like robots » par Q. Zhong, J. Zhu, FE Fish, SJ Kerr, AM Downs, H. Bart-Smith et DB Quinn, 11 août 2021, Robotique scientifique.
DOI : 10.1126/scirobotics.abe4088
