Insectes robotisés, comme l'Entomopter développé au Georgia Institute of Technology, pourrait nous donner un regard sans précédent sur notre monde. Photo avec l'aimable autorisation du GTRI/Stanley Leary Notre pays est en guerre dans un territoire inconnu, et une bataille est sur le point de commencer. Les troupes terrestres ennemies se positionnent pour attaquer notre armée, situé à seulement 3,2 km. Cependant, l'ennemi ne sait pas que chacun de ses mouvements est surveillé par des insectes robotiques équipés de minuscules caméras, volant au-dessus. Ces petits volants robotiques, appelé micro-véhicules aériens (MAV), sera capable de bourdonner sur le territoire ennemi presque inaperçu par les troupes ennemies ci-dessous. Peu de gens regarderaient même deux fois ces robots volants de la taille d'un sou.
Le département américain de la Défense dépense des millions de dollars pour développer ces MAV. Ils sont le moyen idéal pour garder les soldats hors de danger lors des missions de reconnaissance. Aujourd'hui, la reconnaissance pendant la bataille implique généralement de mettre en danger de petites équipes de soldats ou de gros aéronefs. À la fois, l'imagerie satellitaire n'est pas immédiatement accessible par un soldat au sol.
La Defense Advance Research Projects Agency (DARPA) finance plusieurs équipes de recherche pour développer des MAV d'une longueur maximale de 6 pouces (15 cm), largeur et hauteur. Ces petits avions seront d'un ordre de grandeur plus petit que n'importe quel autre véhicule aérien sans pilote (UAV) développé à ce jour. Une classe de ces MAV est conçue pour imiter les mouvements de vol de certains insectes, y compris les mouches, abeilles et libellules. Dans cet article, nous allons nous concentrer sur ces MAV ressemblant à des bogues. Vous apprendrez comment volent les mouches, comment les machines peuvent être construites pour imiter leurs mouvements et où ces minuscules dispositifs aériens seront déployés.
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Un modèle d'insecte volant micromécanique assis dans la paume de la main d'un chercheur de Berkeley Photo avec l'aimable autorisation de Jason Spingarn-Koff Les mouches ont beaucoup à nous apprendre sur l'aviation qui ne peuvent être apprises en étudiant les aéronefs à voilure fixe. Pendant des années, on savait peu de choses sur la mécanique du vol des insectes, pourtant ils sont le groupe d'aviateurs le plus ancien du monde, appelé quelques fois avions de chasse de la nature . Vous avez peut-être entendu dire que les bourdons ne peuvent pas voler selon l'aérodynamique conventionnelle. C'est parce que les principes du vol des insectes sont très différents de ceux du vol des avions à voilure fixe.
"Les ingénieurs disent qu'ils peuvent prouver qu'un bourdon ne peut pas voler, " mentionné Michael Dickinson , biologiste à l'Université de Californie, Berkeley. "Et si vous appliquez la théorie des aéronefs à voilure fixe aux insectes, vous calculez qu'ils ne peuvent pas voler. Vous devez utiliser quelque chose de différent."
Dickinson fait partie du projet Micromechanical Flying Insect (MFI), qui développe de petits robots volants utilisant les principes de vol des insectes. Le projet est en coopération avec la DARPA. Le projet MFI propose un insecte robotique d'environ 10 à 25 millimètres (0,39 à 0,98 pouces) de largeur, ce qui est beaucoup plus petit que la taille limite de la DARPA de 6 pouces (15 cm), et utilisera des ailes battantes pour voler. L'objectif du projet est de recréer le vol d'une mouche à viande.
Si vous lisez l'article Comment fonctionnent les avions, vous savez que les avions génèrent de la portance parce que l'air se déplace plus rapidement au-dessus de l'aile que le long du bas de l'aile. C'est appelé aérodynamique en régime permanent . Le même principe ne peut être appliqué aux mouches ou aux abeilles, parce que leurs ailes sont en mouvement constant.
"Contrairement aux aéronefs à voilure fixe avec leurs dynamique d'écoulement presque non visqueuse (sans viscosité), les insectes volent dans une mer de tourbillons, entouré de minuscules tourbillons et les tourbillons qui se créent lorsqu'ils bougent leurs ailes, " mentionné Z. Jane Wang , un physicien au Collège d'ingénierie de l'Université Cornell. Un tourbillon est un tourbillon d'air créé par l'aile, et l'air dans le tourbillon s'écoule dans le sens inverse du courant d'air principal.
Les tourbillons créés par les ailes des insectes maintiennent les insectes en l'air. Le groupe de Dickinson décrit ces trois principes pour expliquer comment les insectes se soulèvent et restent en l'air :
"Ce serait vraiment chouette si nous pouvions exploiter ces mécanismes, trop, en construisant un robot insecte. Mais vous ne pouvez pas les construire maintenant sur la base de principes connus -- vous devez repenser fondamentalement le problème, " dit Dickinson. Dans la section suivante, vous apprendrez comment les chercheurs utilisent ces principes et les appliquent à la création d'insectes volants robotisés.
Il existe au moins deux projets MAV financés par la DARPA qui ont été inspirés par les principes du vol des insectes. Pendant que Michael Dickinson crée l'insecte volant micromécanique à Berkeley, Robert Michelson , ingénieur de recherche au Georgia Institute of Technology, travaille sur le Entomoptère . Regardons de plus près les deux projets.
En juillet 2000, l'Office des brevets des États-Unis a accordé un brevet à Georgia Tech Research Corporation pour l'invention de l'Entomopter par Michelson, aussi appelé un insecte électromécanique multimodal . L'Entomopter est conçu pour d'éventuelles opérations en intérieur, selon le brevet américain numéro 6, 082, 671. Il imitera le combat d'un insecte en battant des ailes pour générer de la portance. En outre, les chercheurs étudient les moyens pour l'Entomopter de naviguer dans les couloirs et les systèmes de ventilation et de ramper sous les portes.
Regardons les parties de base de l'Entomopter :
L'Entomopter est alimenté par une réaction chimique. Un monergol est injecté dans le corps, provoquant une réaction chimique qui libère un gaz. La pression du gaz qui s'accumule pousse un piston dans le fuselage. Ce piston est relié aux ailes couplées pivotantes, les faisant claquer rapidement. Une partie du gaz est évacuée par des évents dans l'aile et peut être utilisée pour modifier la portance de l'une ou l'autre aile afin que le véhicule puisse tourner. Actuellement, l'Entomopter a une envergure de 10 pouces (25 cm). "La prochaine étape consiste à réduire le périphérique RCM à la taille du bogue, " a déclaré Michelson.
Dans un véhicule de la taille d'une mouche domestique, chaque partie doit effectuer plusieurs tâches. Par exemple, une antenne radio fixée à l'arrière du véhicule peut également servir de stabilisateur pour la navigation. Les jambes pourraient stocker du carburant pour ajuster le poids et l'équilibre du véhicule pendant le vol.
Le concept d'un artiste de l'insecte volant micromécanique terminé en cours de développement à Berkeley Photo gracieuseté de R.Fearing/UC-Berkeley Le gouvernement américain a également investi 2,5 millions de dollars dans le projet Berkeley pour développer un insecte robotique de la taille d'une mouche domestique commune. La première étape importante vers l'obtention de ce insecte volant micromécanique (MFI) dans l'air était le développement de Robofly , ce qui a donné aux chercheurs un aperçu important des mécanismes du vol des insectes.
Pour construire l'IMF, les chercheurs ont réalisé des expériences pour apprendre comment volent les mouches. L'une des expériences consistait à construire une paire d'ailes robotiques de 10 pouces (25 cm), appelé Robofly , qui était fait de plexiglas et modelé d'après les ailes d'une mouche à fruit. Les ailes ont été immergées dans un réservoir d'huile minérale, qui les oblige à réagir comme des plus petits, Ailes de drosophile de 1 millimètre de long battant rapidement dans l'air. Six moteurs - trois sur chaque aile - déplacent les ailes d'avant en arrière, de haut en bas et dans un mouvement de rotation. Des capteurs étaient fixés pour mesurer la force des ailes.
Finalement, le Robofly sera réduit à une mouche microrobotique en acier inoxydable de 10 à 25 millimètres (0,4 à 1 pouce) de largeur et pesant environ 43 milligrammes (0,002 once). Les ailes seront constituées d'un mince film de Mylar. L'énergie solaire fonctionnera un piézoélectrique actionneur qui poussera les ailes à battre. Le thorax du robot transformera les déflexions des actionneurs piézoélectriques en la grande course d'aile et la rotation nécessaires pour réaliser le vol.
Bien que le robot ne vole pas encore, il a été rapporté qu'environ 90% de la force requise pour le levage a été obtenue expérimentalement avec un pleinement opérationnel, structure à deux ailes. La prochaine étape consistera à ajouter une unité de contrôle de vol et une unité de communication pour le contrôle à distance. Les chercheurs disent qu'ils travaillent à permettre un vol stationnaire contrôlé au moyen d'une détection optique et d'un gyroscope embarqué.
Un concept d'artiste d'une équipe d'Entomopters explorant Mars Photo avec l'aimable autorisation de Robert Michelson Compte tenu du montant d'argent que l'armée américaine injecte dans les projets MAV (micro-véhicule aérien), il est probable que la première utilisation de ces insectes robotiques sera comme mouche espion. La DARPA envisage une mouche espion qui pourrait être utilisée pour des missions de reconnaissance et contrôlée par des soldats au sol. Ce petit véhicule volant ne se contenterait pas de relayer des images de mouvements de troupes, mais il pourrait également être utilisé pour détecter des éléments biologiques, armes chimiques ou nucléaires. En outre, l'insecte robotique serait capable d'atterrir sur un véhicule ennemi et d'y placer une étiquette électronique afin qu'il puisse être plus facilement ciblé.
Dans un rapport de 1997 de la DARPA concernant le développement des MAV, les auteurs ont écrit que les progrès des microtechnologies, comprenant systèmes microélectromécaniques (MEMS), ferait bientôt des mouches espionnes une idée réalisable. Il a souligné que les microsystèmes tels que les caméras à matrice CCD, de minuscules capteurs infrarouges et des détecteurs de substances dangereuses de la taille d'une puce sont suffisamment petits pour s'intégrer dans l'architecture d'une mouche espion.
L'armée aimerait un MAV qui a une portée d'environ 6,2 miles (10 km), vole de jour comme de nuit et peut rester en l'air pendant environ une heure. Les responsables de la DARPA disent que la vitesse idéale pour un MAV est de 22 à 45 mph (35,4 à 72,4 km/h). Il serait contrôlé depuis une station au sol, qui utiliserait des antennes directionnelles et maintiendrait un contact continu avec le MAV.
Les mouches robotiques pourraient également être bien adaptées en tant que nouvelle génération d'explorateurs interplanétaires. Le Georgia Tech Research Institute (GTRI) a reçu un financement du NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) pour étudier l'idée d'utiliser l'Entomopter comme géomètre volant sur Mars. En mars 2001, La NASA a financé la deuxième phase de l'étude en prévision des futures micromissions sur Mars.
Les entomopters offrent plusieurs avantages par rapport aux grands géomètres. Ils pourraient atterrir, décollage, planer et effectuer des manœuvres plus difficiles en vol. Leur capacité à ramper et à voler leur donne également un avantage pour explorer d'autres planètes. Le plus probable, La NASA enverrait des dizaines de ces véhicules de surveillance pour explorer d'autres planètes. Le développeur d'Entomopter, Rob Michelson, a déclaré que la version martienne de l'Entomopter devrait être dimensionnée pour avoir une envergure d'environ 1 mètre afin de voler dans la fine atmosphère de Mars.
Les chercheurs disent que ces minuscules robots volants seraient également précieux à la suite de catastrophes naturelles, comme les tremblements de terre, tornades ou glissements de terrain. Leur petite taille et leur capacité à voler et à planer les rendent utiles pour rechercher des personnes ensevelies sous les décombres. Ils pourraient voler entre des crevasses que les humains et les plus grosses machines sont incapables de naviguer. D'autres utilisations incluent la surveillance du trafic, surveillance des frontières, enquêtes sur la faune, inspection de lignes électriques et photographie aérienne immobilière.
Les mouches espions sont un autre exemple de la façon dont la technologie aide les humains à effectuer des tâches dangereuses, permettant aux humains de rester hors de danger. Reconnaissance militaire, rechercher des victimes du tremblement de terre et voyager vers d'autres mondes sont toutes des activités dangereuses - des microrobots volants nous permettraient d'accomplir ces tâches sans être réellement là.
