De minuscules robots noués sautent, volent et plantent des graines
Illustration du processus de ces robots programmables à nœuds qui bondissent dans les airs pour se dénouer et pénétrer le sol, y semant des graines. Crédit : Laboratoire Yang de l’École d’ingénierie de l’Université de Pennsylvanie
Lorsqu’un nœud se défait, il ne se contente pas de se défaire ; il se rompt. Cette simple observation a conduit les ingénieurs de Penn (Université de Pennsylvanie) aux Etats-Unis, à repenser le rôle d’un nœud. Au lieu de le considérer comme un élément retenant la tension, ils se sont posé une autre question : que se passe-t-il lorsqu’on conçoit un nœud capable de se libérer ? La réponse : un minuscule robot souple capable de bondir à plusieurs mètres de hauteur, d’effectuer des loopings en plein vol, de tourner sur lui-même comme une hélice, voire de planer jusqu’à son point de départ.
Au cœur de ces travaux, publiés dans la revue Science et menés par Shu Yang, professeur titulaire de la chaire Joseph Bordogna en science et génie des matériaux, et Yaoye Hong, chercheuse postdoctorale, se trouve une fibre d’un millimètre d’épaisseur seulement, composée de deux matériaux a priori opposés : une âme en Kevlar lui confère résistance et rigidité, tandis qu’une enveloppe en élastomère à cristaux liquides (LCE) lui apporte flexibilité, réactivité et programmabilité. L’ensemble permet d’emmagasiner de l’énergie lorsqu’elle est torsadée et nouée, puis de la libérer instantanément sous l’effet de la chaleur.
« On a tendance à considérer une fibre nouée comme un élément passif », explique Yang. « Mais si l’on conçoit soigneusement l’élasticité et les matériaux, le nœud lui-même devient un système actif. »
Des robots à actionnement thermique, dotés d’ailes inspirées des feuilles d’érable, sautent et atterrissent verticalement dans le sol, démontrant ainsi leur capacité à pénétrer la terre et à y semer des graines. La dernière séquence montre la germination de graines de roquette semées par ces robots. Crédit : Laboratoire Yang de l’École d’ingénierie de l’Université de Pennsylvanie
Sous tension et pression, l’explosion est inévitable.
Le système fonctionne comme un ressort maintenu en place par un loquet. Ici, le loquet est le nœud. Lorsque la température atteint environ 60 à 90 degrés Celsius, la coque en LCE se contracte et se détend, relâchant le nœud juste assez pour déclencher un dénouement brusque. En une fraction de seconde, l’énergie élastique emmagasinée se convertit en énergie cinétique, permettant un mouvement rapide.
Le résultat est explosif. Un nœud de quelques millimètres seulement peut se propulser à près de deux mètres de hauteur, atteignant des hauteurs des centaines de fois supérieures à sa propre taille.
L’idée de ce robot est née lorsque Hong explorait le comportement des fibres torsadées sous contrainte. Le fait de les nouer a ajouté une couche de programmabilité supplémentaire, qui s’est avérée essentielle.
En ajustant la topologie du nœud, le matériau utilisé et même la façon dont la fibre est pré-torsadée avant d’être nouée, les chercheurs peuvent optimiser le comportement du robot après le décollage. Ainsi, son mouvement est non seulement puissant, mais aussi programmable.
Nœuds simples thermo-activés, réalisés en composites Kevlar-LCE, avec des diamètres de nœud allant de 0,65 à 6,5 mm. La courbe bleue représente la trajectoire du saut, avec un focus sur la fibre en mouvement. Crédit : Laboratoire Yang de Penn Engineering
« Le nouage de la fibre nous a permis de stocker beaucoup plus d’énergie », explique Hong. « Et en modifiant la topologie du nœud lui-même, nous pouvions contrôler la manière dont cette énergie était libérée. »
La topologie des nœuds est la description mathématique d’une boucle enchevêtrée en trois dimensions, dont les extrémités sont jointes. Un simple nœud simple produit un mouvement de bascule. Un nœud en huit provoque une rotation. Des nœuds plus complexes peuvent se défaire par étapes, créant des mouvements séquentiels qui évoquent une courte figure de gymnastique aérienne.
Conçu sur le modèle de la nature pour résoudre les problèmes de la nature
L’ajout d’une aile permet d’étendre ce contrôle dans les airs. S’inspirant de la descente en autorotation des samares d’érable, l’équipe a fixé une fine excroissance en forme de feuille à la fibre. Selon la position de l’aile sur le nœud, le robot décrit un arc de cercle vers l’avant et atterrit loin. Dans d’autres cas, il revient vers son point de départ, tel un boomerang.
Dans leur robot, l’aile stabilise la structure et assure une autorotation continue durant la descente. Plus important encore, la puissante énergie cinétique emmagasinée lors du saut propulse la tige élancée dans le sol, presque à la verticale, créant ainsi une pression locale élevée, essentielle à l’ensemencement.
Une chercheuse brandit l’un de ces robots à nœuds programmables à l’aide de pinces, démontrant ainsi comment un objet à peine plus gros qu’un grain de riz peut jouer un rôle crucial dans le domaine de la robotique souple et automatisée. Crédit : Bella Ciervo, Penn Engineering
Ce dernier comportement met en évidence l’une des applications les plus prometteuses de ce système : la plantation de graines.
Des travaux antérieurs du groupe portaient sur des porte-semences auto-enfouissables fabriqués à partir de placages de bois hygroscopiques. Les extrémités hélicoïdales pouvaient se tordre et se dérouler lentement, générant ainsi la force de pénétration nécessaire à l’enfouissement du porte-semence dans le sol. Cependant, ce processus d’enfouissement dépendait des précipitations pour s’activer. En conditions réelles, son efficacité est variable.
« De fortes pluies risquent d’endommager ou d’emporter les graines au lieu de favoriser leur enfouissement », explique Yang. « Et en milieu sec, le système ne s’activerait tout simplement pas. De plus, la lenteur du processus déclenché par la pluie rend difficile l’ancrage des gros porte-graines dans le sol, ce qui est pourtant essentiel à la germination. »
Le nouveau système remplace l’eau par la chaleur. La lumière du soleil, bien plus prévisible dans de nombreux environnements, peut déclencher le mouvement. Dans les régions chaudes, les surfaces atteignent facilement les températures nécessaires à l’activation des fibres.
« Nous n’avons pas toujours de pluie, mais nous avons le soleil », dit Yang.
L’impact est considérable : le système de saut génère une pression de pénétration environ 30 fois supérieure à celle des porte-graines activés par la pluie. Lors des premières expériences, l’équipe a fixé des graines de pin et de roquette aux nœuds du système. Après avoir atterri et pénétré le sol, les graines ont germé avec succès, ouvrant la voie à des applications autonomes en matière de reboisement ou d’agriculture.
Comment la curiosité et la collaboration façonnent les questions de recherche
Ce projet n’a pas été initialement conçu dans cette optique. Comme une grande partie du travail de Yang, il est né d’une curiosité concernant le comportement des matériaux.
« Nous commençons souvent par explorer des phénomènes intéressants », explique Yang. « Ensuite, nous nous demandons jusqu’où nous pouvons les pousser et s’ils peuvent résoudre des problèmes réels. »
Un tournant décisif a eu lieu lorsque l’équipe a introduit le noyau en Kevlar. La rigidité accrue a permis à la fibre d’emmagasiner beaucoup plus d’énergie, doublant ainsi la hauteur de saut, qui est passée d’environ un mètre à près de deux, une performance comparable aux capacités de saut d’un collembole, une minuscule créature à six pattes ressemblant à un insecte et vivant près du sol.
La synergie entre les matériaux est essentielle, et leur interaction crée un système à la fois robuste et programmable.
« Ils se situent aux antipodes », explique Hong. « Le Kevlar offre une rigidité telle qu’il résiste à la déformation. Les élastomères à cristaux liquides (LCE), quant à eux, permettent une actionnement thermique. Ensemble, ils permettent d’obtenir des comportements dynamiques impossibles à réaliser avec les robots souples traditionnels. Et, bien que nous ayons démontré le succès du couplage de ces matériaux, nous pouvons encore optimiser cette combinaison particulière pour obtenir différentes fonctions. »
Poursuivre ce travail dans le futur
Le dispositif actuel est un système modèle, construit à partir de matériaux bien connus afin d’étudier les phénomènes physiques sous-jacents. Les versions futures pourraient utiliser des composants plus respectueux de l’environnement, notamment pour une utilisation en extérieur. Les chercheurs travaillent également à abaisser la température d’activation et à optimiser l’interaction des fibres avec le sol.
L’objectif plus large est de concevoir une série de petites machines adaptatives capables de fonctionner dans des environnements complexes sans électronique ni alimentation externe.
« Ce n’est qu’un élément d’un système plus vaste », explique Yang. « Nous réfléchissons à la manière de distribuer les semences, de gérer l’humidité et de nous adapter aux différentes conditions environnementales. »
La nature continue d’inspirer ces travaux. La hauteur des sauts des nœuds rappelle l’échelle des mouvements des insectes. Leurs ailes s’inspirent de l’aérodynamisme des graines en chute libre. La collaboration avec des biologistes et d’autres scientifiques permet de transposer ces stratégies naturelles en systèmes artificiels.
Pour Hong, cette approche interdisciplinaire est essentielle.
« Nous apprenons de la façon dont les organismes résolvent ces problèmes », explique-t-il. « Ensuite, nous essayons de comprendre les mécanismes et de les appliquer de nouvelles façons en associant des matériaux inédits. »
Dans ce cas précis, la leçon provenait d’une chose d’apparence simple : un nœud. Dans les bonnes conditions, même un simple enchevêtrement peut se transformer en une machine puissante.
https://techxplore.com/news/2026-04-tiny-robots-fly-seeds.html
https://www.miragenews.com/miniature-robots-leap-soar-and-seed-1661181