La roue à changement de forme inspirée par la tension superficielle de l'eau absorbe les bosses
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Inspirés par la tension superficielle d'une goutte de liquide, des chercheurs ont créé une roue ajustable qui change de forme en temps réel, s'attaquant ainsi facilement aux surfaces irrégulières et aux obstacles élevés. Cela a ouvert la voie au développement de fauteuils roulants ou de robots mobiles capables de mieux traverser les terrains accidentés.
Les roues sont des éléments essentiels des voitures, des camions et des vélos, si omniprésents que nous les tenons souvent pour acquis. Mais lorsqu'il s'agit de fauteuils roulants, les mauvaises performances des roues sur des surfaces irrégulières ou contenant des obstacles signifient que les personnes en fauteuil roulant sont généralement contraintes de rester « sur la route ». Il en va de même pour les robots mobiles.
Aujourd'hui, un groupe de chercheurs coréens a littéralement réinventé la roue en développant une roue réglable qui change de forme en temps réel pour surmonter les obstacles au sol et permettre de voyager hors des sentiers battus.
D'accord, « réinventer la roue » est probablement une exagération. Il y a quelques années, le géant du pneumatique Hankook a collaboré avec l'Université nationale de Séoul et Harvard pour créer des roues transformables inspirées de l'origami . Bien des années auparavant, l'étudiant diplômé Ackeem Ngwenya avait développé son système de roue « sans route » , dont la bande de roulement s'ajustait d'étroite à large en tournant une vis. Et, entre-temps, la NASA a créé des pneus pour ses rovers fabriqués à partir d' un alliage nickel-titane qui pouvait se déformer jusqu'à l'essieu puis revenir à sa forme d'origine.
Le problème posé par les terrains accidentés ou encombrés peut être surmonté grâce à un système de locomotion à chenilles, un mécanisme spécialement conçu pour augmenter la surface de la roue. Cependant, un système à chenilles est limité à des vitesses relativement faibles et consomme plus d'énergie qu'un système à roues en raison du frottement élevé causé par le contact accru entre le système et le sol.
Utiliser des pneus sans air (ou non pneumatiques) pour traverser des terrains difficiles présente un avantage, notamment parce qu'ils résistent aux crevaisons, aux fuites et aux éclatements. Mais leur rigidité les rend moins aptes à franchir les obstacles, notamment les plus hauts, car ils sont moins déformables ou moins capables de s'adapter au sol sur lequel ils roulent.
B. illustre la structure des rayons métalliques et de la chaîne intelligente ; D. montre ce qui arrive à la forme de la roue lorsque l'espace entre le moyeu est modifié
Ainsi, inspirés par la tension superficielle d’une goutte de liquide, les scientifiques ont créé une roue à rigidité variable capable de surmonter les terrains accidentés et les obstacles tout en conservant les avantages d’une roue ordinaire roulant sur un sol plat. La tension superficielle d’un liquide résulte d’un déséquilibre dans les forces d’attraction ou de cohésion entre les molécules. Alors qu’une molécule dans le liquide en vrac subit des forces de cohésion avec d’autres molécules dans toutes les directions, une molécule à la surface d’un liquide ne subit que des forces de cohésion nettes vers l’intérieur. Dans une gouttelette, à mesure que la force de cohésion des molécules de surface augmente, la force nette qui tire les molécules du liquide vers l’intérieur augmente également, ce qui fait que la goutte retrouve une forme circulaire.
Essai de conduite du fauteuil roulant à deux roues sur une piste plate
L'un des aspects clés de la roue déformable est sa « structure de chaîne intelligente », composée d'une chaîne de blocs autour de l'extérieur de la roue, reliés par des rayons en fil de fer aux côtés opposés d'un moyeu central. En modifiant l'espace entre les deux côtés du moyeu, les chercheurs ont pu faire varier la longueur des rayons et, par conséquent, la forme de la chaîne extérieure de blocs. L'augmentation de l'espace entre le moyeu a raccourci les rayons, forçant le bloc de chaîne vers l'intérieur et créant une roue circulaire pour une locomotion rapide. En le réduisant, les rayons en fil de fer ont été allongés et le bloc de chaîne relâché, ce qui lui a permis de se déformer et de franchir les obstacles qu'il rencontrait.
Essai de conduite du fauteuil roulant à deux roues sur l'herbe
Les chercheurs ont testé leur roue adaptable dans un fauteuil roulant à deux roues et un véhicule à quatre roues et ont découvert que chacun pouvait s'adapter et rouler sur de grandes marches et des rochers de forme irrégulière 1,2 fois plus hauts que le rayon de la roue.
La vidéo ci-dessus montre comment le système de fauteuil roulant à deux roues, qui pèse 120 kg (265 lb), se déplace facilement sur un terrain accidenté et herbeux – bien que l'inclinaison extrême du fauteuil vers l'avant puisse inquiéter pour la sécurité de son éventuel occupant. Les chercheurs n'ont pas mis à disposition de vidéo du véhicule à quatre roues en action, mais des images sont disponibles ci-dessous.
Les chercheurs ont testé un véhicule équipé de quatre de leurs roues adaptables inspirées de la tension superficielle
Les chercheurs ont noté que la poussière et les particules pénétraient dans les zones situées entre les blocs de la chaîne intelligente et endommageaient la roue. Ils travaillent donc à ajouter une structure de recouvrement de roue aux futures itérations. Ils voient un grand potentiel dans leur roue adaptable.
« Cette étude démontre une variation de rigidité en temps réel à l’échelle des roues réelles utilisées pour un fauteuil roulant, suggérant des applications communes plus larges dans les robots à roues et les systèmes de transport pour une conduite efficace sur un terrain accidenté », ont déclaré les chercheurs.