Se déplacer dans des supports granulaires tels que le sable est une astuce qui ne se produit pas seulement dans les films de science-fiction. Le lézard poisson de sable, qui vit dans le désert, est également capable d'accomplir cette tâche. Afin de le faire, ce lézard se comporte comme un poisson et ondule son corps pour atteindre une vitesse de pointe de deux longueurs de corps par seconde.

Il a été prouvé que la propulsion des lézards poissons de sable résulte du fait que la résistance dans le sable est plus grande pour un mouvement dans une direction perpendiculaire au corps que pour un mouvement dans une direction longitudinale. Une telle propriété est appelée frottement anisotrope.

Loin des déserts et des milieux granuleux, d'autres organismes utilisent ces propriétés anisotropes du milieu pour se propulser. C'est le cas des micro-organismes dans les fluides visqueux. Comme dans le sable, leurs corps subissent une résistance par longueur de corps qui est plus grande pour un mouvement perpendiculaire que pour un mouvement longitudinal. Cela explique pourquoi de nombreuses bactéries ondulent leurs queues afin de se propulser dans des fluides visqueux comme le sandfish dans le sable.

Cependant, battre une queue n'est pas le seul mode de locomotion utilisé par les bactéries pour se déplacer dans un fluide visqueux. Par exemple, E. coli utilise la rotation d'une queue hélicoïdale dans le même but.

Une telle observation a suscité la curiosité d'une équipe de chercheurs du département de physique de l'université de Santiago au Chili. Francisco Melo, qui dirige l'équipe, s'est demandé :« La rotation hélicoïdale induit-elle une propulsion dans un milieu granulaire comme dans un fluide visqueux ?

Afin de répondre à la question, Alexandre Ibarra, un doctorat étudiant impliqué dans ce projet, a imaginé une expérience pour étudier le mouvement horizontal d'une hélice tournant dans un milieu granulaire. Les chercheurs ont placé une hélice dans une mare de grains et l'ont reliée à un moteur externe par l'intermédiaire d'une petite tige traversant la paroi de la mare. Le moteur était situé sur une platine linéaire pour permettre son mouvement horizontal. Cette configuration permet la rotation de l'hélice tout en libérant son mouvement horizontal.

"Nous avons observé que lorsque l'hélice était suffisamment profonde dans le milieu granulaire, sa rotation entraînait un mouvement de propulsion selon l'axe horizontal, " a déclaré Baptiste Darbois Texier, chercheur postdoctoral au département de physique.

Avec cette configuration, les chercheurs ont étudié la vitesse de l'hélice en fonction de sa vitesse de rotation, sa profondeur dans la piscine granulaire et la charge externe appliquée au système. De plus, ils ont fabriqué des hélices de différentes géométries et les ont testées dans la piscine granulaire. En parallèle, ils ont développé un modèle théorique pour décrire le frottement anisotrope subi par l'hélice sur la base d'un coefficient de frottement longitudinal et transversal. Le modèle capture leurs observations expérimentales et prédit la conception optimale de l'hélice afin de se propulser dans un milieu granulaire.

Finalement, l'équipe a développé un robot de preuve de concept basé sur une propulsion hélicoïdale qui fonctionne dans un matériau granulaire. La tête du robot contient une petite batterie et un petit moteur qui assure la rotation de la queue hélicoïdale. La conception comprend également quatre palettes afin d'éviter la rotation de la tête plutôt que de la queue. Le robot s'est avéré très robuste pour se propulser à travers différents types de grains. Parce que l'actionnement de ce robot de sable est basé sur un moteur simple, il est beaucoup plus facile à mettre en œuvre que ceux reproduisant le mouvement ondulatoire des lézards lézards. Ainsi, cette étude ouvre la voie à un nouveau type de robot opérant dans des milieux hétérogènes tels que le sable ou la neige sèche.