Légende: Ce robot aéro-aquatique peut nager sous l’eau, puis battre des ailes pour sortir de l’eau et continuer à voler dans les airs, un peu comme les oiseaux plongeurs. Crédits: Crédit :  Raphael Zufferey

Le projet des ingénieurs du MIT pourrait donner naissance à une nouvelle catégorie de véhicules aéro-aquatiques destinés à l’exploration des océans.

Les plongeons, les goélands, les macareux et les pétrels font partie des 100 espèces d’oiseaux capables de voler et de nager. Ces oiseaux plongeurs peuvent plonger dans l’eau pour attraper leurs proies, puis bondir dans les airs pour s’envoler. 

S’inspirant de ces aviateurs naturellement aquatiques, des ingénieurs du MIT et de l’EPFL à Lausanne, en Suisse, ont conçu un robot capable de nager sous l’eau, puis de battre des ailes hors de l’eau pour continuer à voler dans les airs, un peu comme les oiseaux plongeurs. 

Légende: Raphael Zufferey (à gauche) et Moritz Hüsser travaillent sur la conception de leur robot. Crédits:Crédit : John Freidah

Le « véhicule aérien-aquatique à ailes battantes », ou FAAV (flapping-wing aerial-aquatic vehicle), pèse moins de 300 grammes (environ une demi-livre) et est conçu pour aider les scientifiques à étudier les mécanismes qui permettent aux oiseaux plongeurs de voler dans l’air et dans l’eau. 

Le robot est composé d’un corps central, ou fuselage ; de deux ailes flexibles et battantes ; et d’une queue orientable. Les ailes et la queue sont interchangeables. Lors d’expériences menées dans un bassin et sur un lac, les ingénieurs ont identifié les combinaisons optimales de taille d’ailes, de fréquence de battement et d’angle de queue permettant au robot de passer en douceur de la nage à la propulsion hors de l’eau, puis au vol.

Leurs résultats, publiés aujourd’hui dans la revue Science , pourraient aider les scientifiques à comprendre comment les oiseaux plongeurs adaptent leur vol pour se déplacer dans l’air et dans l’eau, deux milieux aux propriétés physiques très différentes. Cette conception pourrait également donner naissance à une nouvelle génération de drones et de véhicules aéro-aquatiques. Les chercheurs envisagent que de tels robots ailés puissent être déployés en océanographie pour accéder à des zones aquatiques trop dangereuses pour les navires océaniques traditionnels et y prélever des échantillons.

« Notre vision idéale est que les océanographes, les biologistes marins et les membres des communautés côtières puissent lancer ce robot depuis un bateau ou le rivage. Il survolerait la zone d’intérêt, comme un iceberg, une installation portuaire ou un banc de baleines », explique Raphael Zufferey, professeur adjoint de génie mécanique au MIT. « Il plongerait pour effectuer une mesure ou prélever un échantillon, puis reviendrait rapporter les données à un coût bien inférieur à celui des méthodes traditionnelles. Il pourrait ensuite retourner en mer pour effectuer d’autres prélèvements. » 

Zufferey est l’auteur principal de cette nouvelle étude, à laquelle ont également contribué des chercheurs de l’EPFL et du Northwest Indian College de Bellingham, dans l’État de Washington.

Mécanique du vol

Au MIT, Zufferey dirige le  laboratoire AURA , où lui et ses étudiants conçoivent des véhicules aériens et aquatiques inspirés de la biomécanique naturelle. Les robots qu’ils construisent sont de petite taille et destinés à explorer et à surveiller discrètement l’état des océans et des cours d’eau. 

Pour leurs nouveaux travaux, l’équipe visait à concevoir un véhicule capable de voler dans les airs et sous l’eau. Un tel véhicule devrait pouvoir s’adapter à deux milieux très différents et passer de l’un à l’autre. L’eau est 1 000 fois plus dense que l’air, et se déplacer dans l’un ou dans l’autre requiert des mécanismes très différents. Du moins, c’est ce que l’on pourrait penser.

« Il faut procéder à une certaine adaptation pour que cette transition fonctionne. Mais la nature offre une solution », explique Zufferey. « Des oiseaux comme les macareux peuvent voler très vite et plonger ou nager à une vitesse de 3 mètres par seconde. Ils sont capables de prouesses étonnantes. Nous savions donc que c’était possible. Simplement, personne n’avait encore tenté l’expérience avec un système robotique mobile. »

Pour comprendre le vol des oiseaux plongeurs, l’équipe a consulté la littérature scientifique et rassemblé les données disponibles sur les macareux, les pétrels, les martins-pêcheurs et d’autres oiseaux plongeurs. Ils ont observé que les petits oiseaux battent des ailes environ 10 fois par seconde en vol et environ quatre fois par seconde dans l’eau. Les grands oiseaux, du fait de leur plus grande envergure, battent des ailes à une fréquence légèrement inférieure, aussi bien dans l’air que dans l’eau. 

En s’inspirant de la biomécanique des oiseaux, l’équipe a développé un robot ailé conçu pour battre des ailes à des fréquences similaires à celles des oiseaux plongeurs. 

Faire le saut

Le nouveau robot ressemble vaguement à un oiseau, avec un corps, deux ailes et une queue. Le corps renferme une batterie et un moteur électrique étanche qui actionne un vilebrequin, lequel actionne le mouvement de déploiement et d’abaissement des ailes à des fréquences prédéfinies. Les ailes sont constituées de fines membranes recouvertes de nanoparticules hydrophobes pour faciliter l’évacuation de l’eau. La queue est motorisée, ce qui lui permet de modifier son angle et ainsi d’aider le robot à s’envoler ou à plonger. 

Les ailes sont interchangeables et peuvent être de tailles différentes. Les chercheurs ont fabriqué et testé trois jeux d’ailes : petites (60 centimètres d’envergure), moyennes (80 centimètres) et grandes (100 centimètres). Ils ont d’abord mené des expériences dans un petit bassin, puis dans le lac Léman, en Suisse.

Lors de leurs tests, ils ont placé le robot sous l’eau, à environ un demi-mètre de profondeur. Ils ont programmé le battement des ailes à certaines fréquences et l’inclinaison de la queue selon certains angles tout au long du vol. Ils ont ensuite observé dans quelles conditions le robot parvenait à remonter à la surface, à sortir de l’eau et à s’élever dans les airs. 

Le robot a effectué plusieurs vols avec différentes tailles d’ailes, fréquences de battement et angles de queue. L’équipe a constaté que, globalement, le robot était capable de voler, de nager et de passer de l’eau à l’air de manière fiable avec des ailes de taille moyenne. La flexibilité des ailes est essentielle : elles doivent être suffisamment flexibles pour minimiser l’amplitude du battement dans l’eau et suffisamment rigides pour maintenir le robot en l’air. 

Les chercheurs ont également constaté que le robot pouvait nager à près d’un mètre par seconde en battant des ailes à une fréquence d’environ 5 hertz, soit cinq battements par seconde. Il pouvait aussi voler à environ 6 mètres par seconde en battant des ailes à une fréquence similaire. Ses vitesses et fréquences de battement d’ailes étaient comparables à celles des oiseaux plongeurs. 

Pour réussir le passage de l’eau à l’air, ils ont constaté que le robot devait être incliné à 70 degrés, un angle relativement prononcé qui empêche l’extrémité de ses ailes de toucher la surface de l’eau lorsqu’il s’élève dans les airs. Un angle plus prononcé, et le robot retomberait dans l’eau.

Étonnamment, cette combinaison de taille des ailes, de fréquence de battement et d’inclinaison de la queue a permis au robot de nager sous l’eau, de décoller de la surface et de voler, sans avoir recours à un élément essentiel pour de nombreux oiseaux plongeurs : les pattes. Lorsque des oiseaux comme les macareux et les canards prennent leur envol, ils utilisent leurs pattes pour se propulser hors de l’eau, tout en battant des ailes et en inclinant la queue. De façon surprenante, Zufferey et ses collègues ont découvert que, du moins en robotique, le fait de s’envoler hors de l’eau ne nécessite pas forcément de manœuvre de nage. 

« Si l’on observe les oiseaux, la plupart doivent pagayer à la surface pour décoller. La question était donc de savoir si les robots ont besoin de la même chose. Il s’avère que non », explique Zufferey.

L’équipe travaille actuellement à améliorer la conception des ailes afin de leur permettre de pivoter en plus de battre de haut en bas. Elle testera également les performances du robot en conditions turbulentes, notamment en le faisant sortir d’eaux agitées et en le faisant voler face au vent. L’objectif est ensuite de déployer le véhicule pour contribuer à répondre à des questions en sciences océaniques.

« L’un des principaux défis des sciences océaniques est la collecte fréquente de données en de nombreux endroits, ce que ce robot pourrait accomplir à l’avenir », explique Zufferey. « On pourrait l’envoyer non seulement chaque semaine, mais toutes les heures. Il pourrait se déplacer à grande vitesse, plonger, revenir, transmettre ses données et repartir, et ce, à plusieurs reprises. »

https://news.mit.edu/2026/new-flapping-robot-swims-and-flies-like-diving-bird-0709