Les ingénieurs du MIT ont conçu un planeur robotique qui peut survoler la surface de l'eau, surfer sur le vent comme un albatros tout en surfant sur les vagues comme un voilier.

Dans les régions de vent fort, le robot est conçu pour rester en l'air, un peu comme son homologue aviaire. Là où il y a des vents plus calmes, le robot peut plonger une quille dans l'eau pour naviguer comme un voilier très efficace à la place.

Le système robotique, qui emprunte à la fois aux conceptions nautiques et biologiques, peut couvrir une distance donnée en utilisant un tiers du vent qu'un albatros et en voyageant 10 fois plus vite qu'un voilier classique. Le planeur est également relativement léger, pesant environ 6 livres. Les chercheurs espèrent que dans un avenir proche, si compact, des écumeurs d'eau robotiques rapides peuvent être déployés en équipes pour étudier de vastes étendues de l'océan.

"Les océans restent largement sous-surveillés, " dit Gabriel Bousquet, un ancien post-doctorant au département d'aéronautique et d'astronautique du MIT, qui a dirigé la conception du robot dans le cadre de sa thèse de doctorat. "En particulier, il est très important de comprendre l'océan Austral et comment il interagit avec le changement climatique. Mais il est très difficile d'y arriver. Nous pouvons maintenant utiliser l'énergie de l'environnement de manière efficace pour effectuer ce voyage longue distance, avec un système qui reste à petite échelle."

Bousquet présentera les détails du système robotique cette semaine à la conférence internationale de l'IEEE sur la robotique et l'automatisation, à Brisbane, Australie. Ses collaborateurs sur le projet sont Jean-Jacques Slotine, professeur de génie mécanique et sciences de l'information et des sciences du cerveau; et Michel Triantafyllou, le professeur Henry L. et Grace Doherty en sciences et ingénierie océaniques.

La physique de la vitesse

L'année dernière, Bousquet, Slotine, et Triantafyllou ont publié une étude sur la dynamique du vol des albatros, dans lequel ils ont identifié les mécanismes qui permettent au voyageur infatigable de parcourir de grandes distances en dépensant un minimum d'énergie. La clé des voyages marathon de l'oiseau est sa capacité à entrer et sortir des couches d'air à haute et basse vitesse.

Spécifiquement, les chercheurs ont découvert que l'oiseau est capable d'effectuer un processus mécanique appelé "transfert de quantité de mouvement, " dans lequel il prend de l'élan de plus haut, couches d'air plus rapides, et en plongeant vers le bas transfère cet élan vers le bas, couches plus lentes, se propulser sans avoir à battre des ailes en permanence.

De façon intéressante, Bousquet a observé que la physique du vol des albatros est très similaire à celle du voyage en voilier. L'albatros et le voilier transfèrent leur élan pour continuer à avancer. Mais dans le cas du voilier, ce transfert ne se produit pas entre les couches d'air, mais entre l'air et l'eau.

"Les voiliers prennent de l'élan au vent avec leur voile, et l'injecter dans l'eau en repoussant avec leur quille, " explique Bousquet. " C'est ainsi qu'on extrait l'énergie pour les voiliers. "

Bousquet s'est également rendu compte que la vitesse à laquelle un albatros et un voilier peuvent voyager dépend de la même équation générale, liés au transfert de quantité de mouvement. Essentiellement, l'oiseau et le bateau peuvent voyager plus rapidement s'ils peuvent soit rester en l'air facilement, soit interagir avec deux couches, ou médiums, de vitesses très différentes.

L'albatros se débrouille bien avec le premier, comme ses ailes offrent une portance naturelle, bien qu'il vole entre les couches d'air avec une différence de vitesse du vent relativement faible. Pendant ce temps, le voilier excelle dans ce dernier cas, voyageant entre deux médiums à des vitesses très différentes - l'air par rapport à l'eau - bien que sa coque crée beaucoup de friction et l'empêche d'avoir beaucoup de vitesse. Bousquet s'est demandé :et si un véhicule pouvait être conçu pour bien performer dans les deux métriques, marier les qualités rapides de l'albatros et du voilier ?

"Nous pensions, comment pourrions-nous tirer le meilleur des deux mondes ? », dit Bousquet.

Sur l'eau

L'équipe a rédigé un design pour un tel véhicule hybride, qui ressemblait finalement à un planeur autonome d'une envergure de 3 mètres, semblable à celui d'un albatros typique. Ils ont ajouté un grand, voile triangulaire, ainsi qu'une mince, quille en forme d'aile. Ils ont ensuite effectué une modélisation mathématique pour prédire comment une telle conception se déplacerait.

D'après leurs calculs, le véhicule éolien n'aurait besoin que de vents relativement calmes d'environ 5 nœuds pour traverser les eaux à une vitesse d'environ 20 nœuds, ou 23 milles à l'heure.

"Nous avons constaté que dans des vents légers, vous pouvez voyager environ trois à 10 fois plus vite qu'un voilier traditionnel, et vous avez besoin d'environ moitié moins de vent qu'un albatros, atteindre 20 nœuds, " dit Bousquet. " C'est très efficace, et tu peux voyager très vite, même s'il n'y a pas trop de vent."

L'équipe a construit un prototype de leur conception, à l'aide d'une cellule de planeur conçue par Mark Drela, professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT. Au bas du planeur, ils ont ajouté une quille, avec divers instruments, comme le GPS, capteurs de mesure inertielle, instrumentation de pilote automatique, et échographie, pour suivre la hauteur du planeur au-dessus de l'eau.

"Le but ici était de montrer que nous pouvons contrôler très précisément à quelle hauteur nous sommes au-dessus de l'eau, et que nous pouvons faire voler le robot au-dessus de l'eau, puis jusqu'à l'endroit où la quille peut passer sous l'eau pour générer une force, et l'avion peut encore voler, " dit Bousquet.

Les chercheurs ont décidé de tester cette "manœuvre critique" - l'acte de transition entre voler dans les airs et plonger la quille vers le bas pour naviguer dans l'eau. Accomplir ce mouvement ne nécessite pas nécessairement une voile, Bousquet et ses collègues ont donc décidé de ne pas en inclure un afin de simplifier les expériences préliminaires.

A l'automne 2016, l'équipe a mis son design à l'épreuve, le lancement du robot du MIT Sailing Pavilion sur la Charles River. Comme le robot manquait de voile et de mécanisme pour le démarrer, l'équipe l'a accroché à une canne à pêche attachée à un baleinier. Avec cette configuration, le bateau a remorqué le robot le long de la rivière jusqu'à ce qu'il atteigne environ 20 milles à l'heure, à quel point le robot de manière autonome "a décollé, " chevauchant le vent tout seul.

Une fois qu'il volait de façon autonome, Bousquet a utilisé une télécommande pour donner au robot une commande "descente", l'incitant à plonger suffisamment bas pour plonger sa quille dans la rivière. Prochain, il a ajusté la direction de la quille, et a observé que le robot était capable de s'éloigner du bateau comme prévu. Il a ensuite donné l'ordre au robot de remonter, sortir la quille de l'eau.

"Nous volions très près de la surface, et il y avait très peu de marge d'erreur - tout devait être en place, " dit Bousquet. " C'était donc un stress très élevé, mais très excitant."

Les expérimentations, il dit, prouver que le dispositif conceptuel de l'équipe peut voyager avec succès, alimenté par le vent et l'eau. Finalement, il envisage des flottes de ces véhicules surveillant de manière autonome et efficace de grandes étendues de l'océan.

"Imaginez que vous puissiez voler comme un albatros quand il y a vraiment du vent, et puis quand il n'y a pas assez de vent, la quille permet de naviguer comme un voilier, ", dit Bousquet. "Cela élargit considérablement les types de régions où vous pouvez aller."