Les résultats pourraient éclairer la conception de robots tolérants aux pannes, selon les chercheurs


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  • Les mouches des fruits peuvent rapidement compenser les blessures catastrophiques des ailes, ont découvert les chercheurs, en conservant la même stabilité après avoir perdu jusqu’à 40 % d’une aile. Cette découverte pourrait éclairer la conception de robots polyvalents, qui sont confrontés au défi similaire de devoir s’adapter rapidement aux mésaventures sur le terrain.

    L’équipe dirigée par Penn State a publié ses résultats aujourd’hui (18 novembre) dans Les avancées scientifiques.

    Pour mener l’expérience, les chercheurs ont modifié la longueur des ailes des mouches des fruits anesthésiées, imitant une blessure que les insectes volants peuvent subir. Ils ont ensuite suspendu les mouches dans un anneau de réalité virtuelle. Imitant ce que les mouches verraient en vol, les chercheurs ont diffusé des images virtuelles sur de minuscules écrans dans l’anneau, faisant bouger les mouches comme si elles volaient.

    « Nous avons découvert que les mouches compensent leurs blessures en battant plus fort l’aile endommagée et en réduisant la vitesse de l’aile saine », a déclaré l’auteur correspondant Jean-Michel Mongeau, professeur adjoint de génie mécanique à Penn State. « Ils accomplissent cela en modulant les signaux dans leur système nerveux, ce qui leur permet d’affiner leur vol même après une blessure. »

    En battant plus fort leur aile endommagée, les mouches des fruits échangent certaines performances – qui ne diminuent que légèrement – pour maintenir la stabilité en augmentant activement l’amortissement.

    « Si vous conduisez sur une route goudronnée, le frottement est maintenu entre les pneus et la surface, et la voiture est stable », a déclaré Mongeau, comparant l’amortissement au frottement. « Mais sur une route verglacée, la friction entre la route et les pneus diminue, ce qui provoque une instabilité. Dans ce cas, une mouche des fruits, en tant que conducteur, augmente activement l’amortissement avec son système nerveux pour tenter d’augmenter la stabilité. »

    Le co-auteur Bo Cheng, Penn State Kenneth K. et Olivia J. Kuo, professeur associé en début de carrière en génie mécanique, ont noté que la stabilité est plus importante que la puissance pour les performances de vol.

    « En cas de dommages aux ailes, les performances et la stabilité en souffriraient généralement; cependant, les mouches utilisent un » bouton interne « qui augmente l’amortissement pour maintenir la stabilité souhaitée, même si cela entraîne une baisse supplémentaire des performances », a déclaré Cheng. « En fait, il a été démontré que c’est bien la stabilité, et non la puissance requise, qui limite la maniabilité des mouches. »

    Les travaux des chercheurs suggèrent que les mouches des fruits, avec seulement 200 000 neurones contre 100 milliards chez l’homme, utilisent un système de contrôle moteur sophistiqué et flexible, leur permettant de s’adapter et de survivre après une blessure.

    « La complexité que nous avons découverte ici chez les mouches est inégalée par tous les systèmes d’ingénierie existants ; la sophistication de la mouche est plus complexe que celle des robots volants existants », a déclaré Mongeau. « Nous sommes encore loin du côté de l’ingénierie pour essayer de reproduire ce que nous voyons dans la nature, et ce n’est qu’un autre exemple de jusqu’où nous devons aller. »

    Avec des environnements de plus en plus complexes, les ingénieurs sont mis au défi de concevoir des robots capables de s’adapter rapidement aux pannes ou aux accidents.

    « Les insectes volants peuvent inspirer la conception de robots et de drones battants qui peuvent réagir intelligemment aux dommages physiques et maintenir les opérations », a déclaré le co-auteur Wael Salem, candidat au doctorat en génie mécanique de Penn State. « Par exemple, concevoir un drone qui peut compenser un moteur cassé en vol, ou un robot à pattes qui peut compter sur ses autres pattes quand on cède. »

    Pour étudier le mécanisme par lequel les mouches compensent les dommages aux ailes en vol, des collaborateurs de l’Université du Colorado à Boulder ont créé un prototype de robot d’aile mécanique, de taille et de fonction proches de celles d’une mouche des fruits. Les chercheurs ont coupé l’aile mécanique, reproduisant les expériences de Penn State, et testé les interactions entre les ailes et l’air.

    « Avec un modèle mathématique uniquement, nous devons faire des hypothèses simplificatrices sur la structure de l’aile, le mouvement de l’aile et les interactions aile-air pour rendre nos calculs traitables », a déclaré le co-auteur Kaushik Jayaram, professeur adjoint de génie mécanique. à l’Université du Colorado à Boulder. « Mais avec un modèle physique, notre prototype de robot interagit avec le monde naturel un peu comme le ferait une mouche, soumise aux lois de la physique. Ainsi, cette configuration capture les subtilités des interactions complexes aile-air que nous ne comprenons pas encore complètement. « 

    En plus de Mongeau, Cheng, Salem et Jayaram, les co-auteurs incluent Benjamin Cellini, Penn State Department of Mechanical Engineering; et Heiko Kabutz et Hari Krishna Hari Prasad, Université du Colorado à Boulder.

    L’Air Force Office of Scientific Research et la bourse de recherche Alfred P. Sloan ont soutenu ce travail.

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