Ce poisson robotique au corps mou est alimenté par une batterie de liquide comme le sang qui circule autour de son corps par l’intermédiaire d’un système vasculaire synthétique (Crédit : James Pikul)

Une équipe d’ingénieurs du Laboratoire de robotique organique de Cornell a construit un poisson-lion robotique à corps mou alimenté par du « sang » électrique, qui sert non seulement de source d’énergie, mais qui agit aussi par voie hydraulique pour créer la propulsion. Cette approche bio-inspirée s’attaque à l’un des grands défis des petits robots non reliés entre eux : la masse et la puissance.

Les batteries ajoutent un poids important aux robots, et ce poids a un impact sur la portée, la maniabilité, la vitesse et la taille. Donc, si les ingénieurs peuvent stocker de l’énergie dans un composant qui sert aussi un but secondaire, alors, comme ils disent, c’est un problème réduit de moitié.

Conçu par James Pikul, un ancien chercheur postdoctoral (aujourd’hui professeur adjoint à l’Université de Pennsylvanie) et coauteur de l’étude, le poisson-lion robotique mesure 40 cm et est fabriqué en silicium moulé.

À bord se trouvent deux pompes hydrauliques, chacune activée par des batteries de cellules à écoulement d’oxyde de zinc interconnectées. Une pompe déplace la queue en déplaçant le liquide d’un côté de la queue à l’autre, tandis que l’autre pompe le liquide stocké dans les nageoires dorsales vers les nageoires pectorales correspondantes. Ce n’est pas ce qu’on pourrait appeler de la rapidité. À l’heure actuelle, il nage à raison d’une longueur de corps et demie par minute, mais ce n’est que le début du projet.

Les composants internes des poissons robotisés à corps mou

L’hydraulique dans les robots à corps mou n’est pas une idée nouvelle, mais l’utilisation de fluide hydraulique pour fournir de l’énergie est une tâche supplémentaire. En utilisant le liquide (une solution électrolytique appelée « sang du robot ») comme énergie électrique et mécanique, la masse du robot en forme de poisson est considérablement réduite, ce qui augmente la charge utile énergétique relative. Cela signifie que le robot est capable de nager de façon autonome pendant 36 heures avant d’avoir besoin d’une recharge.

« Dans la nature, nous voyons combien de temps les organismes peuvent fonctionner tout en accomplissant des tâches complexes « , explique Rob Shepherd, professeur agrégé en génie mécanique et aérospatial. « Les robots ne peuvent pas accomplir des exploits similaires pendant très longtemps. Notre approche bio-inspirée peut augmenter considérablement la densité énergétique du système tout en permettant aux robots mous de rester mobiles beaucoup plus longtemps. »

Le système vasculaire synthétique hybride batterie/hydraulique a été modélisé d’après des batteries redox flow (1). Bien que cette forme de batterie ne soit pas particulièrement puissante par rapport aux batteries lithium-ion, par exemple, elle a l’avantage de pouvoir être entassée dans à peu près n’importe quel espace ou forme. Cette flexibilité peut être particulièrement utile lors de la conception de robots pour des tâches spécifiques ou pour naviguer dans des espaces encombrants, car les batteries traditionnelles peuvent influencer indûment les proportions physiques d’une conception, limitant sa portée.

La queue flexible en silicone a été coulée à l’aide d’un moule imprimé en 3D.

« Nous voulons prendre autant de composants d’un robot et les transformer en système énergétique », explique Rob Shepherd. « Si vous avez déjà des liquides hydrauliques dans votre robot, vous pouvez puiser dans de grandes réserves d’énergie et donner aux robots plus de liberté pour fonctionner de façon autonome. »

Des développements comme celui-ci marquent un pas de plus vers des robots aquatiques plus performants, plus efficaces et plus autonomes. Le potentiel d’exploration marine, d’inspection de pipelines, de câbles sous-marins, etc. est énorme. Quant aux robots souples et souples, ils pourraient jouer un rôle important dans les environnements délicats – comme les récifs coralliens – où le déploiement d’un robot à corps dur pourrait être trop risqué.

1. Le principe repose sur une réaction d’oxydation et une réaction de réduction au niveau de chacune des électrodes. La spécificité de la batterie redox-flow vient du fait que les réactifs sont en solution dans un électrolyte différent pour l’anode et la cathode, ils sont donc stockés dans deux réservoirs séparés et circulent dans deux demi-cellules. Ces dernières sont séparées par une membrane semi-perméable qui autorise le passage des ions communs au deux électrolytes. Des pompes assurent la circulation des électrolytes afin de renouveler chaque réactif à la surface de l’électrode correspondante. Le principal avantage de cette technologie repose sur le fait que la séparation électrolyte/cellule électrochimique permet un découplage entre la puissance disponible (dimensionnement de la cellule électrochimique) et la capacité énergétique du système (taille du réservoir d’électrolyte).

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1313-1

http://news.cornell.edu/stories/2019/06/robot-circulatory-system-powers-possibilities