Un robot sous-marin biomimétique en forme de méduse

Un étrange robot en forme de méduse qui se propulse par bonds en contractant son ombrelle. Son énergie provient d’un mélange oxygène-hydrogène dont la combustion catalytique fournit de la chaleur qui agit sur des muscles artificiels en alliage à mémoire de forme.

Fig1. Image extraite de la vidéo proposée plus bas montrant le robot se propulsant dans l’eau. Crédit University of Dallas, Texas et Virginia Tech.

Fig1. Image extraite de la vidéo proposée plus bas montrant le robot se propulsant dans l’eau. Crédit University of Dallas, Texas et Virginia Tech.

 

Le biomimétisme a pour but de reproduire artificiellement des propriétés d’un système biologique. De nos jours, on cherche souvent à exploiter des mécanismes de la nature pour les appliquer dans différents domaines technologiques.

Un des avantages du choix de la forme d’une méduse pour ce robot vient de ce que les méduses ont peu de prédateurs dans l’océan. On ne craint pas ainsi de voir le robot se faire avaler par un requin, ce qui ne ferait de bien ni à l’un ni à l’autre.

Ici, les fibres musculaires de la méduse sont remplacées par des muscles artificiels en alliage à mémoire de forme(AMF).

Un alliage à mémoire de forme (AMF) possède des propriétés très particulières: la capacité de garder en mémoire une forme initiale et d’y retourner même après une déformation, la possibilité d’alterner entre deux formes préalablement mémorisées lorsque sa température varie autour d’une température critique, et une super-élasticité lui permettant de subir sans déformation permanente un allongement réversible sous contrainte bien supérieur à celui des autres métaux.  L’alliage de nickel et titane en proportion égale, appelé « nitinol », a été le premier de ce type et est celui utilisé pour ce robot.

 

Fig. 2. Diagramme schématique de l’actuateur à AMF utilisant pour carburant l’hydrogène. Crédit University of Dallas, Texas et Virginia Tech.

Fig. 2. Diagramme schématique de l’actuateur à AMF utilisant pour carburant l’hydrogène. Crédit University of Dallas, Texas et Virginia Tech.

 

Dans ce but, des chercheurs de l’Université de Dallas, Texas, Etats-Unis,  ont enroulé autour de fils en nitinol des couches multiples de nanotubes de carbone qui contiennent du noir de platine, c’est-à-dire du platine finement divisé. Celui-ci agit comme un catalyseur sur le mélange hydrogène oxygène. La réaction chimique entre ces deux composants produit de l’eau et de la chaleur qui fait se contracter le nitinol.

Ces fils constituent des  muscles artificiels qui sont disposés à l’intérieur d’une ombrelle en silicone de 16 cm de diamètre qui imite la cloche axi-symétrique de la méduse de l’espèce Aurelia aurita.

La figure 3 schématise le mécanisme du robot méduse  avec son ombelle en silicone actionnée par des actuateurs du type de ceux de la figure 2.

 

 

Fig.3. A ombrelle en silicone, B Image agrandie du fil de nitinol enrobé de nanotubes de carbone imprégnés de noir de platine. C fil de nitinol enrobé. D ressort en acier. E fil de liaison. F supports. G conduits. H poulies. I distributeur de gaz. Crédit University of Dallas, Texas et Virginia Tech.

Fig.3. A ombrelle en silicone, B Image agrandie du fil de nitinol enrobé de nanotubes de carbone imprégnés de noir de platine. C fil de nitinol enrobé. D ressort en acier. E fil de liaison. F supports. G conduits. H poulies. I distributeur de gaz. Crédit University of Dallas, Texas et Virginia Tech.

 

Quand le fil de nitinol se contracte sous l’effet d’une impulsion de chaleur, l’ombrelle de silicone se déforme et expulse l’eau qu’elle contient. C’est ce qui propulse le robot. Grâce à l’’élasticité de l’ombrelle, celle-ci retrouve sa forme antérieure, ce qui permet le cycle suivant.

Le prototype actuel possède huit  segments activant la corolle de la méduse. Ils sont actuellement commandés ensemble ce qui ne donne qu’une direction de mouvement, vers le haut. Mais, en commandant indépendamment les segments les chercheurs comptent bien pouvoir l’orienter en toutes directions.

Le mélange d’hydrogène et d’oxygène est actuellement fourni par des bouteilles au laboratoire, mais il existe dans l’océan de l’oxygène et de l’hydrogène dissous en faible concentration et on peut imaginer qu’on  arrive à fabriquer un dispositif qui fonctionne à partir de cette source d’énergie renouvelable.

Le principal investigateur, Yonas Tadesse, prédit pour un très proche avenir la réalisation de réservoirs remplis de nano tubes de carbone qui stockeraient sans problème les quantité de gaz nécessaires.

Ce robot pourrait constituer une grande avancée pour les robots sous-marins. En effet les constructeurs de ces appareils rencontrent toujours le problème de l’autonomie du véhicule,  proportionnelle  à la charge de la batterie. Or, avec des muscles artificiels alimentés par des réactions chimiques, on peut obtenir des temps d’utilisation bien plus grands qu’avec des batteries.  En outre, à poids égal les muscles artificiels peuvent soulever une charge 500 fois plus forte que des muscles humains.

 

La vidéo suivante montre la méduse artificielle en mouvement:

Crédit University of Dallas, Texas et Virginia Tech.

 

Pour en savoir plus:  Smart Mater. Struct. 21 (2012) 045013 (17pp) doi:10.1088/0964-1726/21/4/045013

Yonas Tadesse, Alex Villanueva, Carter Haines, David Novitski,
Ray Baughman and Shashank Priya