Ces objets volants qui miment l’insecte

Un insecte artificiel à ailes résonantes a été conçu à l’aide des technologies de micro-fabrication de la microélectronique. L’objet volant mimant l’insecte (OVMI) sera alors classé dans la catégorie des nanodrones télécommandés susceptibles d’emporter une charge utile et d’effectuer des missions de reconnaissance en milieu confiné.
L’aviation et l’ingénierie puisent depuis longtemps leur inspiration dans l’observation des oiseaux et du monde marin par l’introduction par exemple d’ailettes verticales à l’extrémité des ailes de certains gros porteurs inspirées des ailes des rapaces ou encore par l’utilisation d’une structure similaire à celle de la peau du requin afin d’améliorer les performances hydrodynamiques de certaines machines. Toutefois avec les progrès récents des différentes technologies et de leur miniaturisation, se pose la question de concevoir et réaliser des objets volants fonctionnels et autonomes de plus en plus petits (micro- et nanodrones). Or si deux types de drones sont aujourd’hui très largement employés, les drones à voilure fixe (avion) et les drones à voilure tournante (héli ou quadricoptère) dans les domaines civils et militaires pour des applications en espace extérieur, une rupture technologique semble quasi-incontournable lorsque l’on choisit de réduire les échelles et de travailler en espace confiné. C’est donc très logiquement que nous avons commencé à nous intéresser aux mécanismes de locomotion des insectes.

De l’insecte volant aux nanodrones

Dans ce contexte, un troisième type de drone fait donc l’objet de nombreuses recherches actuellement : il s’agit des micro- et nanodrones à ailes battantes (resp. vibrantes). L’idée est de développer des petits drones télécommandés capables d’effectuer un vol autonome et dont la conception et la réalisation s’inspirent directement du vol de certains petits oiseaux ou des insectes connus pour leurs performances en termes de manœuvrabilité, de rendement énergétique ou encore d’adaptabilité. Comparées aux voilures fixes, les voilures à ailes battantes (resp. vibrantes) et tournantes ont comme avantages principaux, d’une part, de permettre le vol stationnaire, et d’autre part, d’assurer une meilleure manœuvrabilité. Un autre avantage réside dans la discrétion acoustique de ces micro- et nanodrones puisque le bruit généré par les actionneurs est en général inférieur à celui créé par les hélices des drones à voilures tournantes et fixes.

Ces engins sont généralement destinés à intervenir là où l’homme ne peut pas agir notamment dans les milieux confinés ou nécessitant une taille réduite et une grande agilité de déplacement. Les applications possibles concernent les missions de surveillance et de reconnaissance civile ou militaire, ou encore d’exploration. On peut citer à titre d’exemples la surveillance de bâtiments, l’inspection des structures industrielles et des ouvrages d’art et pourquoi pas le monde du jouet.

Les défis à relever

Les nanodrones à ailes vibrantes ont aujourd’hui atteint une certaine maturité au niveau du processus de fabrication et de la modélisation aéro-élastique. En outre, ce prototype est a priori le premier de la taille d’un insecte capable de créer de la portance à l’aide d’une torsion passive et ce, sans aucune articulation. Les objectifs futurs sont d’une part, de produire des forces de portances suffisantes pour le vol et d’autre part, de concevoir et de mettre en œuvre les fonctionnalités électroniques nécessaires pour un contrôle à distance.

Ces nouveaux travaux incluent d’abord l’utilisation des outils de modélisation et des moyens expérimentaux développés précédemment afin d’optimiser la structure et l’actionnement électromagnétique en termes de poids et de consommation d’énergie. Puis le but sera d’obtenir la cinématique optimale nécessaire au vol de l’insecte artificiel. L’outil aéro-élastique aidera à déterminer la géométrie d’aile la mieux adaptée et des expériences viendront compléter les prédictions numériques.

La recherche portera ensuite sur le choix et la minimisation des composants électroniques tels que des microcontrôleurs et des accéléromètres ou des gyroscopes afin de permettre la manœuvrabilité du nanodrone et un jour sans doute le contournement d’obstacles. Les caractéristiques électroniques telles que les commandes de vol et de détection d’altitude seront d’abord validées sur des prototypes d’échelle centimétrique et l’approche adoptée sera de fabriquer une puce intégrant tous ces composants. De plus, les sources d’énergie nécessaires pour alimenter ces composants seront identifiées.

Enfin, l’étude portera sur l’analyse de scénarios de communication pour les réseaux de capteurs sans fil mobiles conformes aux caractéristiques et contraintes des capteurs du nanodrone : c’est-à-dire soit pour des capteurs dont la position dans l’espace peut être contrôlée, et qui peuvent potentiellement agir sur leur environnement, ou pour des capteurs avec très peu de ressource énergétique et de faible encombrement.

Une plate-forme idéale pour la surveillance, la recherche et le sauvetage d’individus

En conclusion, la capacité des insectes au vol stationnaire associée à une transition rapide vers l’avant, constitue une plate-forme idéale pour la surveillance, la recherche et le sauvetage d’individus. Par ailleurs, la compréhension du vol battu et le contrôle des matériaux avec de fortes déformations peuvent avoir des retombées importantes dans les domaines des microsystèmes et en particulier en micro-fluidique et en électronique flexible.

Par Eric CATTAN, Professeur à l’Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis, Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520)
Sébastien GRONDEL, Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs en informatique Automatique Mécanique Energétique électronique (ENSIAME), Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520)

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