L’un des cafards guidés par des lunettes à lumière UV de l’Université d’Osaka Chowdhury Mohammad Masum Refat
Quoi de plus terrifiant qu’un cyborg mi-cafard, mi-robot ? Un cyborg capable de respirer sous l’eau, sans aucun doute. C’est pourtant précisément ce que des chercheurs viennent de créer, en remplaçant « terrifiant » par « utile ». Des scientifiques de l’Université technologique de Nanyang (NTU) à Singapour et de l’Université Waseda au Japon ont conçu une combinaison de plongée souple et flexible pour ces cafards cyborgs. Équipées de mini-générateurs d’oxygène, ces combinaisons leur permettent de survivre jusqu’à trois heures sous l’eau ou en milieu pauvre en oxygène.
Vous vous demandez sans doute ce que sont les cafards cyborgs et pourquoi ils existent. Pour commencer, parlons de leur nature. Les cafards cyborgs sont créés en intégrant des composants électroniques miniaturisés et télécommandés dans le corps d’insectes vivants, leur permettant ainsi d’accomplir diverses fonctions. Les chercheurs y parviennent en fixant sur l’insecte un petit sac à dos léger contenant un microcontrôleur, un récepteur radio et une source d’alimentation.
Un cafard cyborg à antenne « conventionnelle » Éric Whitmire
Pour la locomotion, les chercheurs insèrent de minuscules électrodes directement dans les antennes du cafard afin de détourner son comportement naturel d’évitement des obstacles. L’insecte se détourne naturellement lorsqu’une antenne touche un obstacle. Ainsi, en envoyant une impulsion électrique de faible tension à l’une ou l’autre antenne, les scientifiques peuvent inciter le cafard à tourner dans la direction opposée, permettant ainsi aux opérateurs de piloter ce robot vivant à distance.
Il ne s’agit là que d’une technique de locomotion parmi d’autres. Ailleurs, des scientifiques de l’Université d’Osaka sont parvenus à diriger des cafards cyborgs grâce à de minuscules casques à ultraviolets qui projetaient de la lumière dans leurs yeux alternés, les obligeant ainsi à tourner dans la direction opposée. Outre la locomotion, les scientifiques peuvent doter ces cafards de diverses autres fonctions telles que la détection, la localisation, le suivi, la cartographie visuelle et la collecte de données. Ceci nous amène à la question du « pourquoi ».
Nous avons démontré que, grâce à l’électronique et aux mécanismes embarqués, il est possible de concevoir des insectes cyborgs capables d’accomplir diverses fonctions. Ces fonctions peuvent s’avérer cruciales dans de nombreuses applications et situations, telles que les inspections, la surveillance discrète, les opérations de recherche et de sauvetage, la surveillance des catastrophes et le suivi des ravageurs agricoles. Cependant, une partie de la question du « pourquoi » demeure sans réponse. Pourquoi transformer des cafards en cyborgs alors que des robots miniatures existent et pourraient, en théorie, remplir les fonctions requises dans ces mêmes situations ?
L’un des cafards guidés par des lunettes à lumière UV de l’Université d’Osaka Chowdhury Mohammad Masum Refat
La réponse est simple : les cafards cyborgs surpassent les micro-robots mécaniques en termes d’autonomie, d’agilité et de robustesse. La fabrication d’un robot purement électromécanique à l’échelle millimétrique exige des moteurs complexes et lourds qui consomment beaucoup d’énergie, vidant généralement les minuscules batteries en quelques minutes seulement.
À l’inverse, un cyborg biohybride utilise les muscles biologiques de l’insecte pour se déplacer, ne nécessitant qu’un « dos à dos » électronique embarqué pour envoyer des signaux de direction de faible puissance. Ce système hybride peut ainsi fonctionner en continu pendant des jours, voire des semaines, grâce à un système d’alimentation minuscule. Une équipe de RIKEN est même parvenue à alimenter l’électronique embarquée de son cafard cyborg grâce à des cellules solaires conçues sur mesure .
De plus, des millions d’années d’évolution ont conféré aux cafards une agilité et une robustesse inégalées ; ils peuvent se faufiler sans effort dans des crevasses microscopiques, escalader des parois verticales, se retourner lorsqu’ils sont à l’envers et survivre à des forces d’écrasement extrêmes ou à des niveaux de radiation qui briseraient ou court-circuiteraient instantanément des composants mécaniques fragiles.
Un cafard cyborg doté d’électronique alimentée à l’énergie solaire, par RIKEN
L’association de ces capacités intrinsèques aux fonctionnalités des systèmes embarqués donne naissance à un cyborg remarquable. Les scientifiques de l’Université technologique de Nanyang (NTU) sont allés encore plus loin en développant une combinaison de plongée équipée d’un générateur d’oxygène qui permet aux cafards de respirer sous l’eau.
« Notre nouvelle combinaison de plongée pour insectes fonctionne comme la bouteille d’oxygène utilisée par les plongeurs humains. Elle génère de l’oxygène et l’achemine directement vers les orifices respiratoires de l’insecte, permettant ainsi au cafard cyborg de survivre et de se déplacer sous l’eau ou dans des environnements pauvres en oxygène », explique le professeur Hirotaka Sato de l’École d’ingénierie mécanique et aérospatiale de l’Université technologique de Nanyang (NTU), chef de projet.
Ce système portable comprend trois éléments principaux : une chambre de production d’oxygène imprimée en 3D, une enveloppe souple et étanche qui épouse la morphologie du cafard sans entraver ses mouvements, et quatre minuscules tubes en silicone reliés directement aux stigmates thoraciques de l’insecte. L’ensemble forme un système de survie autonome qui empêche l’eau d’atteindre les orifices respiratoires tout en assurant un apport continu d’oxygène frais.
Un examen attentif de la combinaison de plongée, notamment de sa chambre de génération d’oxygène à l’arrière Université technologique de Nanyang
L’oxygène est produit chimiquement à la demande plutôt que d’être stocké dans un réservoir sous pression, ce qui serait beaucoup trop encombrant et lourd pour que l’insecte puisse le transporter. À l’intérieur de la chambre transparente imprimée en 3D, les chercheurs ont placé une éponge recouverte d’un catalyseur de dioxyde de manganèse, puis ont injecté une petite quantité de peroxyde d’hydrogène dilué et scellé la chambre.
Le catalyseur provoque la décomposition rapide du peroxyde d’hydrogène en eau et en dioxygène. Au fur et à mesure de la réaction, le dioxygène ainsi produit circule dans les tubes en silicone et pénètre directement dans les stigmates de la blatte, court-circuitant l’atmosphère environnante pauvre en eau ou en oxygène et permettant à l’insecte de respirer normalement.
La conception de la combinaison remplaçait le sac à dos rigide contenant l’électronique par un matériau très flexible et imperméable qui se plie avec le corps du cafard plutôt que de résister à sa démarche naturelle, préservant ainsi la remarquable mobilité de l’insecte tout en protégeant le générateur d’oxygène et le système de distribution contre les fuites ou les dommages mécaniques.
L’ensemble complet pèse juste assez pour que la blatte siffleuse de Madagascar, une espèce prisée pour la recherche sur les cyborgs en raison de sa grande taille, de sa robustesse et de son corps dépourvu d’ailes, puisse le porter sans que ses mouvements soient significativement entravés. Lors de tests en laboratoire simulant des tunnels inondés et des environnements pauvres en oxygène, les blattes cyborgs équipées sont restées actives sous l’eau jusqu’à trois heures, se transformant ainsi de robots biohybrides terrestres en robots amphibies capables d’évoluer aussi bien en milieu sec qu’en milieu submergé.
La combinaison de cafard de l’Université technologique de Nanyang (NTU) s’appuie sur des décennies de recherche sur les insectes cyborgs, qui ont permis de développer divers insectes cyborgs pour des applications terrestres, maritimes et aériennes. Ces insectes ont été déployés dans des opérations de recherche et de sauvetage réelles, notamment lors de l’opération Lionheart, menée après le séisme de magnitude 7,7 qui a frappé le Myanmar le 28 mars. Grâce à leur capacité à respirer sous l’eau, ces cyborgs peuvent également intervenir dans des opérations aquatiques, en rampant dans des crevasses inondées pour retrouver des victimes ou en inspectant des infrastructures. Un véritable super-héros aquatique !
« Après de fortes pluies ou des inondations, les lieux de catastrophes réelles peuvent s’avérer difficiles d’accès, les décombres, les égouts et les passages étroits bloquant les voies de circulation. En élargissant les capacités de nos insectes cyborgs pour inclure les déplacements sous-marins, nous pensons qu’ils peuvent améliorer les opérations de recherche et de sauvetage », explique le professeur Sato.
Les chercheurs travaillent sur plusieurs aspects de la technologie de la combinaison de plongée, notamment l’amélioration de sa durabilité, son adaptation à d’autres espèces de cafards et d’insectes, et l’intégration de capteurs supplémentaires pour en améliorer la fonctionnalité.
L’équipe affirme que les insectes ont été traités conformément aux directives de recherche et qu’aucun n’a été blessé au cours du projet, qui a été publié dans Nature Communications .
Source : Université technologique de Nanyang
