Un poisson-lion nage à contre-courant, sa queue se déplaçant au ralenti comme un pendule. Mais ce poisson ne ressemble pas à ses homologues de sang froid. C'est un robot, et au lieu que le sang coule dans ses veines, il fait circuler un liquide dense en énergie pour alimenter ses batteries et pousser ses nageoires. Le robot, décrit aujourd'hui dans la revue Nature, pourrait constituer la première étape de la résolution de deux problèmes majeurs de la robotique: la puissance et le contrôle. Et grâce au liquide énergétique pompant à travers son système pseudo-vasculaire, ce robot pourrait nous ressembler un peu.
Les robots ne fonctionnent généralement pas de la même manière que les êtres vivants. Au lieu d'un réseau complexe de composants multifonctionnels, les robots ont tendance à être constitués de composants isolés répondant à un seul objectif, explique l'ingénieur en mécanique Robert Shepherd de l'Université Cornell, l'investigateur principal de la nouvelle étude. Par exemple, ils pourraient avoir un système pour gérer l'alimentation et un autre pour contrôler le mouvement, ce qui n'est pas toujours efficace. En revanche, le système circulatoire humain est multifonctionnel: il pompe le sang dans tout notre corps, ce faisant, il aide également à réguler la température de notre corps et transporte les cellules pour lutter contre les infections.
Il existe des exemples de systèmes circulatoires dans la nature qui sont encore plus efficaces que les nôtres. En fait, l'inspiration initiale de Shepherd pour le poisson-lioné n'était pas vraiment un nageur. Il était plutôt fasciné par la bonne barge à queue de bar, un oiseau migrateur qu'il appelle un «super athlète». Une barge peut voler pendant une semaine sans s'arrêter, mais elle double d'abord son poids en graisse pour se préparer au vol.
«Je suis convaincu que vous pouvez ajouter de l'énergie à un animal de manière multifonctionnelle, à la fois pour l'isolation thermique et le stockage de l'énergie, puis pour la distribuer de manière efficace», explique Shepherd. "Si vous comparez cela à nos batteries [dans des robots], elles ne remplissent souvent aucune fonction autre que celle de fournir de l'énergie et de prendre du poids."
En gardant cela à l'esprit, Shepherd s'est demandé s'il existait un moyen de faire en sorte que les batteries des robots gèrent avec succès la puissance et le contrôle. De nombreux robots pompent déjà des fluides hydrauliques, tels que de l'eau, dans leurs systèmes pour appliquer une force qui déplace certaines de leurs pièces. S'ils pouvaient remplacer un fluide hydraulique typique par un fluide qui stocke de l'énergie, il pensait que le fluide pourrait alors faire plus que simplement faciliter le mouvement mécanique. L'utilisation d'un système hydraulique multifonctionnel pourrait également économiser de l'énergie à long terme, car les robots traditionnels dotés de batteries solides ont souvent besoin de blocs de batterie supplémentaires pour un fonctionnement à long terme, ce qui ajoute un poids supplémentaire et réduit les performances.
Shepherd et son équipe, qui ont déposé un brevet pour leur conception, ont utilisé ce que l’on appelle les batteries à flux redox à l’iodure de zinc, qui contiennent une solution d’électrolyte liquide qui sert de réserve d’énergie. Le liquide riche en énergie contribue aux réactions chimiques qui chargent la batterie, tout en fonctionnant également comme un fluide hydraulique qui circule dans le poisson-lion et déplace ses ailettes. Pour permettre le mouvement, les ailettes sont constituées d'électrodes flexibles et d'une peau en silicone souple. Le pompage de fluide hydraulique dans un côté de la nageoire caudale gonfle la peau et fait en sorte que la nageoire se plie autour des sections centrales plus rigides vers l'autre côté. En inversant la direction du fluide, l'aileron se plie dans l'autre sens, ce qui permet au poisson de nager lorsque le fluide oscille. Les nageoires pectorales sont également alimentées par le fluide et peuvent se déployer vers l'extérieur, imitant les mouvements des nageoires utilisées par le poisson-lion pour communiquer.
En plaçant le poisson-lion dans un réservoir d'eau salée, l'équipe a observé que le robot pouvait nager avec succès contre le courant. À titre expérimental, ils ont laissé le robot nager pendant deux heures au maximum, mais ont calculé qu'il pouvait théoriquement fonctionner pendant 36 heures. Ils ont également estimé que la performance énergétique du robot était environ trois à quatre fois supérieure à celle d'un modèle traditionnel utilisant un fluide hydraulique normal tel que l'eau.
Shepherd explique que l'utilisation multifonctionnelle de batteries solides n'est pas nouvelle. Par exemple, les batteries d’un chariot élévateur à fourche agissent comme source d’énergie, tout en fournissant un poids pour stabiliser la machine lors des opérations de levage lourdes. Mais l'utilisation diversifiée de batteries liquides n'a pas été explorée jusqu'à présent. «Maintenant que l’idée est lancée», déclare Shepherd, «nous espérons que les utilisateurs de l’hydraulique pourront demander:« Puis-je remplacer le fluide hydraulique par du fluide électrolytique? Cela a-t-il un sens avec le coût énergétique par rapport au poids pour fluide plus dense dans mon système?
«L'idée d'utiliser le liquide comme batterie est vraiment géniale», déclare Robert Katzschmann de l'ETH Zurich, un robotiste qui a travaillé sur d'autres poissons robotiques, mais qui n'a pas participé à cette recherche. Katzschmann reste toutefois préoccupé par l’efficacité de la batterie et souligne que le concept pourrait être mieux présenté hors de l’eau, où il est essentiel d’éviter le poids supplémentaire des batteries solides sans l'aide de la flottabilité.
«En théorie, c'est génial, car vous pouvez créer un robot qui n'est pas sous l'eau», déclare Katzschmann. «Si vous voulez faire un robot marcheur, c'est un peu plus difficile. Et personne n’a encore montré un robot totalement doux capable de voler. Il est donc logique de le montrer sous l’eau, mais il reste encore beaucoup de travail à faire. »
Shepherd est optimiste quant à l'amélioration de la batterie. Il souligne que la chimie de leur batterie est sûre à manipuler mais «pas aussi dense en énergie qu'elle pourrait l'être».
«Le défi consiste à augmenter la densité énergétique tout en étant sûr», dit-il. «Nous savons où cela peut aller, mais nous devons y aller avec plus de prudence.» Et, comme Katzschmann, il envisage ce travail contribuant à de futurs robots sur terre, qui pourraient éventuellement être utilisés dans des missions de recherche et de sauvetage. «Nous avons créé un système extensible, de sorte que le formulaire auquel vous êtes actuellement limité pourrait changer», ajoute Shepherd. «L’avenir est assurément celui des systèmes hybrides, du moins pour les systèmes terrestres… dans lesquels des pièces souples sont utilisées pour détecter et superposer des actionneurs électromécaniques et à fluide.»
Bien qu'il y ait beaucoup d'avancées à faire dans le domaine de la robotique douce, le poisson-lion de Shepherd suggère que, jusqu'à présent au moins, les choses avancent bien.
