Un robot colibri aussi agile que le vrai

Le colibri fait partie des animaux les plus agiles. Comme les insectes, il est capable de réaliser une tâche en vol stationnaire, de voler dans des environnements étriqués et de s’échapper rapidement d’un endroit. Ces prouesses sont permises grâce à ses ailes contrôlées par des muscles complexes : elles battent à 32 Hz et lui permettent de générer des poussées verticales. Petit, agile, rapide et robuste… le Graal des roboticiens.

Au laboratoire biorobotique de l’Université de Purdue (Etats-Unis), Xinyan Deng et ses étudiants ont mis au point une réplique robotique s’approchant des capacités physiques du colibri. L’oiseau mécanique pèse 12 g contre 7,9 pour le biologique, a une amplitude d’ailes de 70 mm (contre 77 mm) et bat des ailes à une fréquence de 34 Hz (contre 32). Il est capable de garder le contrôle de ses mouvements en transportant une charge utile de 7,5 grammes, soit plus de la moitié de son poids. Les moteurs à courant continu sont utilisés pour le vol mais également pour la détection des obstacles. Grâce à la rétroaction du courant permettant de surveiller la charge instantanée de l’aile, l’oiseau peut également détecter son environnement. Ce retour de courant, en vol bas par exemple, permet au robot de surveiller sa garde au sol tout en suivant le terrain. Elle permet également de détecter le moment où les ailes entrent en collisions avec des objets, afin de modifier la trajectoire de vol ou de contourner les obstacles. Autre prouesse grâce aux ailes : il peut voler dans des endroits étriqués, plus petits que l’amplitude de ses ailes, et s’en échapper. Pour cette dernière compétence, les chercheurs ont utilisé l’apprentissage renforcé en offrant des récompenses à chaque réussite.

Les chercheurs ont également démontré qu’avec une partie de l’aile en moins, le robot est toujours capable de se débrouiller, comme le font les insectes. « La résilience du système a été obtenue par la conception mécanique, l’optimisation du système et des algorithmes de contrôle de vol », explique Xinyan Deng dans une interview accordée à ieee Spectrum. « Nous avons testé divers algorithmes de contrôle adaptatifs et non linéaires afin d’adapter les performances de vol aux incertitudes du système dues aux dommages mécaniques et aux perturbations externes tels que les obstacles et les rafales ». Mais contrairement à son homologue, le robot n’a pas de queue. Il utilise uniquement ses deux ailes pour la portance aérodynamique et le contrôle de vol. « L’ajout d’une queue ne serait nécessaire que pour améliorer les performances de certaines manœuvres lorsque deux ailes ne suffisent pas ». Le chercheur confie ne pas avoir de projet pour le développement de cette partie.

Malgré les similitudes, il faut cependant noter que pour le moment, le robot est relié à un fil pour recevoir l’énergie nécessaire à son fonctionnement ainsi qu’aux commandes et utilise un système de localisation externe pour rester stable en vol. « Nous avons démontré une charge utile suffisante pour transporter la batterie et des capteurs supplémentaires », explique Xinyan Deng dans une interview accordée à ieee Spectrum. Le robot peut se stabiliser sans le système externe de capture de mouvement. Pour le rendre totalement autonome, le robot nécessite un retour de position supplémentaire comme une caméra, un capteur de flux optique ou un GPS. Les chercheurs travaillent sur l’intégration d’une batterie pour tester le vol sans attache et continuent de rendre le robot intelligent grâce aux algorithmes d’apprentissage par renforcement.