Les bugbots Ocean-of-Things, des créatures aquatiques qui écument l'eau, fonctionnent avec des piles à combustible alimentées par des bactéries
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Des chercheurs ont créé des prototypes de robots équipés de capteurs qui imitent les systèmes digestifs biologiques pour répondre aux besoins énergétiques, utilisent une interface Janus pour un approvisionnement constant en nutriments et se déplacent à la surface de l'eau comme un araignée d'eau.
En 2017, la DARPA a proposé un programme visant à développer et à déployer des milliers de capteurs flottants visant à recueillir des données environnementales telles que « la température de l'océan, l'état de la mer et la localisation, ainsi que des données d'activité sur les navires commerciaux, les avions et même les mammifères marins se déplaçant à travers l'océan ».
Baptisé Ocean of Things (OoT ou océan des objets) - et similaire par essence à la multitude d'appareils intelligents équipés de capteurs qui collectent des informations via l' Internet des objets - la page du projet indique que les données des capteurs seraient téléchargées vers un stockage cloud appartenant au gouvernement pour analyse, et que l'OoT soutiendrait les missions militaires tout en étant ouvert aux organismes de recherche et aux entreprises commerciales.
Le professeur Seokheum Choi de l'université de Binghamton travaille sur un tel dispositif depuis une dizaine d'années, financé par le Bureau de la recherche navale. Seokheum Choi et son équipe ont désormais développé un minuscule robot aquatique capable de survoler la surface de l'eau et alimenté par des bactéries embarquées au lieu de systèmes énergétiques classiques comme l'énergie solaire, cinétique ou thermique.
« Les chercheurs étudient activement diverses stratégies innovantes pour permettre aux robots autonomes de récolter l'énergie directement de leur environnement marin », indique l'équipe dans son article. « Ces stratégies incluent l'exploitation de l'énergie solaire, de l'énergie cinétique des vagues ou des courants, du potentiel osmotique des eaux salées, des gradients thermiques et des sources d'énergie alimentées par l'humidité."
« Malgré le caractère innovant de ces approches, la disponibilité variable de la lumière et de l’énergie mécanique dans les milieux marins, combinée aux rendements énergétiques relativement faibles des gradients de salinité, des différentiels thermiques et des niveaux d’humidité, présente des défis importants. Ces limitations entravent la capacité à garantir le fonctionnement fiable et continu des robots aquatiques en se basant uniquement sur les technologies actuelles de récupération d’énergie. »
Le robot aquatique est alimenté par une pile à combustible microbienne contenant des bactéries sporulées
La centrale électrique du nouveau système est construite autour d'une pile à combustible microbienne utilisant des bactéries sporulées connues sous le nom de Bacillus subtilis pour un mini générateur inspiré des processus digestifs biologiques qui convertit la matière organique en électricité via des réactions catalytiques de réduction-oxydation.
« Lorsque l'environnement est favorable aux bactéries, elles deviennent des cellules végétatives et produisent de l'énergie, mais lorsque les conditions ne sont pas favorables – par exemple, il fait très froid ou les nutriments ne sont pas disponibles – elles retournent à l'état de spores », a déclaré Choi. « De cette façon, nous pouvons prolonger la durée de vie opérationnelle. »
L'anode de la pile à combustible est fabriquée à partir de tissu de carbone recouvert de polypyrrole, sélectionné pour son excellente conductivité et sa capacité à favoriser la colonisation bactérienne. La cathode acceptant les électrons est également en tissu de carbone, mais décorée de platine recouvert de polypyrrole, et choisie pour ses « propriétés catalytiques permettant d'accélérer la réduction de l'oxygène ». La dernière pièce du puzzle est une membrane Nafion 117 pour le transfert sélectif de protons.
La centrale électrique intégrée comprend également des surfaces hydrophobes et hydrophiles adjacentes pour permettre « le flux unidirectionnel de substrats organiques » de l'eau de mer pour alimenter les spores bactériennes en nutriments.
Une seule pile à combustible a réussi à produire « une densité de puissance maximale de 135 µW cm-2 et une tension en circuit ouvert de 0,54 V », mais l'extension à un ensemble de six unités a permis d'observer une production d'énergie de près d'un milliwatt. Cette puissance peut être relativement faible dans le grand schéma des choses, mais elle est suffisante pour le petit moteur à courant continu qui se trouve au sommet de la plateforme ainsi que pour les capteurs embarqués.
« Pour parvenir à une locomotion aquatique fluide, le robot utilise la force de rotation du moteur, qui exerce une force de réaction sur la plateforme, la propulsant vers l'avant sur la surface de l'eau sans force directe sur l'eau elle-même », expliquent les chercheurs, tandis que « la caractéristique hydrophobe contribue à la principale force de flottabilité ». Les jambes du petit robot ont également été traitées avec un revêtement hydrophobe pour qu'il puisse glisser sur la surface de l'eau comme un araignée d'eau .
L’idée ici est donc de pouvoir déployer des flottes de minuscules collecteurs de données partout où ils sont nécessaires à tout moment, plutôt que d’être attachés à un seul endroit tout au long de leur durée de vie opérationnelle.
« Bien que ces travaux démontrent avec succès la mobilité autonome sur les surfaces aquatiques alimentée par un réseau MFC intégré, l'exploration d'applications pratiques telles que la localisation, la détection, le traitement et la transmission de signaux dans des plateformes robotiques aquatiques reste un domaine propice au développement », a noté l'équipe.
D'autres travaux sur les performances à long terme et l'adéquation à des conditions environnementales variables doivent également être entrepris. Mais le système actuel sert de preuve de concept pour la nouvelle conception.