Les robots de type oiseau promettent une plus grande flexibilité et un meilleur contrôle que les drones.

Un oiseau qui vire au vent latéral ne compte pas sur la rotation de ses ailes. Celles-ci se plient, se tordent et réagissent instantanément à son environnement. Des ingénieurs de l'université Rutgers ont franchi une étape importante vers la construction de drones imitant les oiseaux, capables de se déplacer de la même manière, en battant des ailes comme de vrais oiseaux, grâce à des matériaux alimentés par l'électricité au lieu de moteurs électromagnétiques classiques.

Dans une étude publiée dans Aerospace Science and Technology , les chercheurs en aérospatiale Xin Shan et Onur Bilgen décrivent un drone « à semi -conducteurs » de type ornithoptère, dont les ailes flexibles battent et se tordent sans moteurs, engrenages ni liaisons mécaniques. Ce système repose sur l'effet piézoélectrique, un principe actif issu de matériaux spéciaux qui se déforment sous l'effet d'une tension électrique.

« Nous appliquons de l'électricité aux matériaux piézoélectriques, et ils déplacent directement la surface, sans articulations supplémentaires, sans liaisons supplémentaires ni moteurs », précise Onur Bilgen, professeur agrégé au département de génie mécanique et aérospatial de l'école d'ingénierie de l’Université Rutgers dans le New-Jersey aux Etats-Unis.

« L'aile est un matériau composite comprenant une couche de matériau piézoélectrique et une couche de fibres de carbone. Appliquez une tension à la couche piézoélectrique, et l'ensemble du composite se déforme. »

Grâce à leur conception semblable à celle des oiseaux, les ornithoptères offrent une flexibilité qui rend ces drones parfaitement adaptés aux futures missions telles que la recherche et le sauvetage, la surveillance environnementale, l'inspection de lieux difficiles d'accès et la livraison de colis en milieu urbain, où les aéronefs doivent se frayer un chemin autour des bâtiments, des câbles, des personnes et bien plus encore.

Dans cette séquence de vol générée par ordinateur, les ailes de l'ornithoptère battent sans engrenages ni moteurs, grâce à de fins actionneurs piézoélectriques qui fléchissent toute la structure. Crédit : Laboratoire Bilgen

Modélisation physique du vol battu

L'équipe de recherche a également mis au point un modèle informatique performant qui intègre simultanément tous les aspects physiques essentiels du vol : mouvements des ailes et du fuselage, aérodynamique, dynamique électrique et architecture de contrôle. Ce modèle permet aux ingénieurs de tester et d'optimiser virtuellement les conceptions avant même la construction de prototypes physiques, ce qui représente un gain de temps et d'argent considérable et accélère le développement.

« Nous avons démontré scientifiquement que ce type d'ornithoptère est possible en faisant certaines hypothèses sur les matériaux », a-t-il lancé. « Nous pouvons démontrer la faisabilité de conceptions qui ne sont pas encore physiquement possibles. »

Pour l'instant, le principal obstacle réside dans les performances du matériau piézoélectrique.

« Les matériaux piézoélectriques actuels ne sont pas suffisamment performants », précise Onur Bilgen. « Cependant, notre modèle mathématique nous permet d'envisager l'avenir avec des hypothèses raisonnables. »

Onur Bilgen a découvert les ornithoptères pour la première fois en 2007, alors qu'il était étudiant diplômé, mais il a déclaré que son intérêt s'est approfondi en 2013, lorsqu'il a commencé à explorer sérieusement comment le vol à ailes battantes pourrait être réinventé à l'aide de matériaux intelligents.

Des outils de simulation avancés développés à Rutgers aident les ingénieurs à optimiser les drones inspirés des oiseaux par logiciel, accélérant ainsi l'innovation tout en réduisant le besoin de prototypes répétés. Crédit : Laboratoire Bilgen

Plusieurs entreprises ont construit des drones expérimentaux ressemblant à des oiseaux, mais la plupart des modèles existants utilisent des moteurs, des engrenages et des actionneurs conventionnels pour actionner le mouvement des ailes.

Selon Onur Bilgen, ces systèmes peinent à égaler les performances des ailes naturelles, qui se plient et réagissent en permanence aux variations de l'air.

Apprendre de la nature sans la copier

Onur Bilgen affirme que la nature offre de précieux enseignements aux ingénieurs.

« Ce qui doit se déplacer rapidement doit être léger », a-t-il déclaré. « C’est pourquoi les ailes des oiseaux sont des structures délicates, et les ailes des avions s’en inspirent. »

Bien que les oiseaux et les insectes soient une source d'inspiration pour son travail, l'objectif de Bilgen n'est pas une simple imitation.

« Nous ne voulons pas simplement imiter la nature », a-t-il déclaré. « Nous voulons surpasser ce que fait la nature. »

Jusqu'à présent, la plupart des prototypes d'oiseaux robotiques utilisent des mécanismes imitant les os et les muscles. L'équipe d'Onur Bilgen privilégie une approche plus simple.

« Nous voulons parvenir à un vol battu sans structures osseuses ni actionneurs musculaires, en battant des ailes de manière beaucoup plus simple », a-t-il déclaré.

Au lieu de moteurs agissant comme des muscles, de fines bandes appelées composites de fibres macroscopiques (MFC) sont collées directement sur les ailes flexibles des maquettes. Lorsque le courant électrique les traverse, les ailes battent, se tordent et se déforment.

« La fibre de carbone agit comme les plumes et les os, et les MFC montés en surface agissent comme les muscles et les nerfs », a expliqué Bilgen.

Comme ce système ne comporte ni engrenages ni articulations, les chercheurs le qualifient d'ornithoptère sans mécanisme ou à semi-conducteurs.

Les ailes battantes offrent des avantages que les hélices rotatives des drones classiques ne peuvent pas fournir, notamment à petite échelle. « Lorsqu'elles entrent en contact avec l'environnement, les ailes battantes sont moins destructrices pour elles-mêmes et pour ce qu'elles touchent », souligne Onur Bilgen.

L'utilisation de matériaux piézoélectriques ou d'autres matériaux intelligents pourrait également améliorer les systèmes d'énergies renouvelables.

« Une pale de turbine est en quelque sorte une aile en rotation », a déclaré Bilgen. « Nous avons étudié l'application de matériaux piézoélectriques aux pales de turbine afin de déterminer s'il existe des avantages aérodynamiques. »

En modifiant subtilement la forme des pales en temps réel, les ingénieurs pourraient influencer la façon dont l'air circule à leur surface. Cela pourrait permettre de concevoir des éoliennes plus efficaces, a-t-il déclaré.

https://www.rutgers.edu/news/teaching-robots-fly-birds

https://dx.doi.org/10.1016/j.ast.2025.110573

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1270963825006443