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Robojelly : un robot autonome aux allures de méduse

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Pour ce prototype de robot sous-marin, ses concepteurs se sont inspirés de la morphologie et de la nage d'un animal simple : la méduse. Sans moteur thermique ni électrique, il fonctionne grâce à des matériaux à mémoire de forme, de nanotubes de carbone et du platine. Ses carburants sont l'oxygène et l'hydrogène. Ce curieux engin peut s'admirer dans une vidéo.

Cette méduse Aurelia aurita a servi de modèle pour concevoir le robot subaquatique Robojelly. © Hans Hillewaert, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

Les méduses exécutent des mouvements gracieux durant leurs déplacements. Elles contractent rythmiquement leur ombrelle pour expulser l'eau qu'elles enferment. Par réaction, ces cnidaires pélagiques sont alors propulsés vers le haut. Elles avancent donc, lorsqu'elles nagent activement, par bonds.

La fermeture de l'ombrelle est causée par la contraction d'un muscle circulaire situé sur la face interne de l'animal. Lorsque l'effort musculaire se relâche, la mésoglée, substance gélatineuse enfermée entre les deux couches de tissus, permet au corps de réacquérir sa forme initiale. En l'absence de squelette interne, ces mouvements ne peuvent qu'être symétriques et les méduses, incapables de nager véritablement, restent des animaux planctoniques, se déplaçant au gré des courants marins.

Des chercheurs de la Virginia Tech, menés par Yonas Tadesse, se sont inspirés de cet invertébré pour développer un nouveau robot sous-marin nommé Robojelly (une méduse se dit jellyfish en anglais). Il se déplace grâce à des mouvements de nage en tout point semblables à ceux exécutés par le modèle Aurelia aurita. Pourtant, il ne possède pas de moteur ! Son fonctionnement dépend intégralement des matériaux employés et de la survenue de réactions chimiques à leur surface. Sa conception est présentée dans la revue Smart Materials and Structures.

Ce robot Robojelly s'inspire directement de la méduse Aurelia aurita. Dans la première partie de la vidéo, l'automate n'est pas autonome, il fonctionne grâce à un apport externe d'électricité. Le gros plan présenté après 17 secondes montre la contraction de l'ombrelle artificielle grâce à l'utilisation d'hydrogène. Ce mouvement est moins puissant que celui produit en utilisant de l'électricité. © InstituteofPhysics, YouYube

Robojelly : une méduse propulsée grâce au platine

Le robot se compose de 8 segments de silicone s'assemblant pour former une ombrelle artificielle d'un diamètre de 164 mm et d'un poids de 242 g. Sur leur face interne, ces éléments abritent des muscles composés entre autres d'un matériau à mémoire de forme (SMA) enchâssé dans des nanotubes de carbone en plusieurs couches et recouverts de platine. Un SMA est capable de reprendre sa forme d'origine après avoir été déformé. Ces muscles synthétiques peuvent changer de forme suite à l'action d'un stimulus : la chaleur.

L'énergie calorifique nécessaire au fonctionnement de l'automate provient d'une réaction chimique exothermique entre l'oxygène et l'hydrogène, et catalysée par les nanoparticules de platine. Le produit formé lors de cette réaction n'est autre que de l'eau. Les deux gaz sont contenus dans des réservoirs mais le robot pourrait à terme exploiter l'oxygène dissous dans l'eau. Cette réaction chimique, l'oxydation de l'hydrogène, est également utilisée dans les piles à combustible. Mais ici, elle provoque directement le mouvement, et non de l'électricité.

Structure d'une fibre contractile artificielle. La réaction exothermique entre l'oxygène (O2) et l'hydrogène (H2) a lieu à la surface des nanotubes faits de plusieurs couches de carbone (MWCNT). La chaleur produite, en rouge, est conduite vers le matériau à mémoire de forme (SMA). Des particules de platine (Pt) sont aussi enchâssées entre les différentes couches de carbone. Cette réaction chimique provoque l'apparition d'eau (H2O). © adapté de Tadesse et al. 2012, Smart Materials and Structure

La chaleur produite dans les tubes est transmise au SMA grâce à la grande conductivité thermique des nanotubes de carbone. Selon les inventeurs, l'utilisation d'oxygène et d'hydrogène pourrait fournir une plus grande densité énergétique que le recours à une source électrique. Les propriétés contractiles des muscles dépendent directement de la taille des tubes employés. Les plus efficaces mesurent 1,6 mm de diamètre. 

Le projet est toujours en phase de test. Une vidéo est néanmoins disponible pour présenter les résultats déjà obtenus. Pour l'instant, les 8 parties du robot se contractent toujours simultanément. Une des prochaines étapes de développement consistera à rendre chaque morceau autonome. Cette propriété permettra aux robots de se diriger dans des directions précises, tout en étant guidés par un opérateur.

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