Une nouvelle compréhension du vol des insectes ouvre la voie à des robots à ailes battantes stables.
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Des chercheurs de l'Université Cornell aux Etats-Unis ont créé un modèle informatique qui illustre l'influence de la morphologie des insectes sur la stabilisation de leur vol. Ces découvertes pourraient ouvrir la voie à une nouvelle compréhension de l'évolution du vol animal et servir de modèle pour la conception de robots à ailes battantes.
L'étude a été publiée le 1er mai dans les Actes de l'Académie nationale des sciences. Les recherches ont été dirigées par Z. Jane Wang , professeure de physique et de génie mécanique et aérospatial au Collège des arts et des sciences et au Collège d'ingénierie Cornell Duffield.
Ces travaux ont débuté il y a plus de dix ans, lorsque Wang a entrepris de comprendre comment les circuits neuronaux des drosophiles ont évolué pour contrôler la stabilité de leur vol. Grâce à une simulation informatique 3D, son équipe a démontré que les drosophiles perçoivent l'orientation de leur corps à chaque battement d'ailes, soit environ un battement toutes les 4 millisecondes, afin de se stabiliser.
Cependant, pour étudier la stabilité du vol chez tous les insectes, les chercheurs devraient concevoir un outil informatique efficace capable de simuler un très grand nombre d'espèces.
« Les études précédentes, y compris la nôtre, ont toujours été réalisées à partir de modèles d'insectes réels, ce qui limite nos observations », a déclaré Wang. « Nous ne prenons pas en compte toutes les autres configurations possibles pour le vol. »
Wang et Owen Wetherbee (promotion 2025), premier auteur de l'article, ont simplifié le modèle 3D pour obtenir une nouvelle version qui conserve les principes physiques fondamentaux du couplage aile-corps et de l'aérodynamique instationnaire. Les équations obtenues ont révélé les paramètres physiques critiques : le rapport masse aile/masse du corps, la charge alaire, la position de l'articulation de l'aile, la fréquence de battement de l'aile et l'amplitude du mouvement de l'aile. L'ensemble de ces paramètres forme ce que Wang appelle un « espace morphologique et cinématique à cinq dimensions ».
« La force de ce modèle réside dans sa capacité à nous fournir des informations beaucoup plus explicites qu’auparavant », a-t-elle déclaré. « Nous connaissions les principes physiques fondamentaux. En intégrant ces principes essentiels dans le nouveau modèle, nous pouvons appréhender chaque élément conceptuellement et faciliter les calculs pour explorer un vaste espace de paramètres. »
L'analyse des résultats de calcul en 5D a permis d'établir deux formules explicites fournissant une mesure concise de la stabilité. Ces critères rendent compte du couplage subtil, souvent négligé, entre l'inertie des ailes et le corps. Ce couplage dépend de l'interaction entre la fréquence de battement des ailes, l'emplacement des articulations et les rapports de masse entre les ailes et le corps, afin d'atteindre un état d'anti-résonance. Ce point d'équilibre permet à l'animal à ailes battantes de contrôler ses oscillations corporelles et de se maintenir en vol – un état connu sous le nom de vol passivement stable – malgré les perturbations de l'air qui, normalement, le feraient basculer.
« Soudain, nous avons découvert que de nombreuses formes de vol battu présentent une stabilité passive, ce qui nous a d'abord surpris, car les travaux antérieurs montraient que la plupart des insectes, à une ou deux exceptions près, étaient passivement instables, d'où la nécessité de circuits neuronaux pour les contrôler », a déclaré Wang. « Mais en élargissant le champ d'étude morphologique, nous avons réalisé que nos recherches précédentes ne représentaient que quelques points épars dans ce nouveau contexte. »
Maintenant que les chercheurs peuvent caractériser la limite de stabilité, ils peuvent proposer un principe de conception concret pour réaliser un vol battu stable chez les robots – un problème qui a déconcerté les roboticiens pendant des décennies.
« En principe, cela ouvre une voie totalement inédite pour la conception de machines robotisées à ailes battantes », a déclaré Wang. « Au lieu de s’appuyer sur un système de rétroaction complexe, dont le succès est partiel, nos résultats suggèrent que nous pouvons ajuster la forme et la fréquence des battements d’ailes de telle sorte que, selon ces deux règles, les engins volants soient déjà passivement stables. Cela simplifierait considérablement le pilotage. »
Le nouveau modèle permet de réaliser ce travail de conception avec des calculs plus rapides et plus simples, et la capacité de modéliser les caractéristiques de stabilité ouvre également la voie à une nouvelle méthode de classification des animaux ailés et de suivi de leur évolution.
« Au cours de l'évolution, différents caractères sont sélectionnés, mais nous ignorons presque tout de leur nature, et encore moins des raisons de cette sélection et de leur évolution, hormis quelques rares exemples comme l'œil », explique Wang. « Ce projet apporte de nouvelles méthodes quantitatives pour étudier ces grandes questions en biologie et en robotique. La modélisation mathématique nous permet de dépasser nos idées préconçues et d'aborder ces problématiques majeures. »