Jumping Robot saute à des hauteurs record

Un sauteur mécanique développé par Elliot Hawkes, professeur d'ingénierie à l'Université de Californie à Santa Barbara, et ses collaborateurs est capable d'atteindre la hauteur la plus élevée - environ 100 pieds (30 mètres) - de n'importe quel sauteur à ce jour, conçu ou biologique. Cet exploit représente une nouvelle approche de la conception des dispositifs de saut et fait progresser la compréhension du saut en tant que forme de locomotion.

"La motivation est venue d'une question scientifique", a déclaré Hawkes, qui, en tant que roboticien, cherche à comprendre les nombreuses méthodes possibles pour qu'une machine puisse naviguer dans son environnement. "Nous voulions comprendre quelles étaient les limites des cavaliers techniques." Bien qu'il existe des siècles d'études sur les sauteurs biologiques (c'est-à-dire nous dans le règne animal) et des décennies de recherche sur des sauteurs mécaniques principalement bio-inspirés, a-t-il déclaré, les deux axes de recherche ont été quelque peu séparés. "Il n'y avait pas vraiment eu d'étude qui compare et oppose les deux et en quoi leurs limites sont différentes - si les sauteurs techniques sont vraiment limités aux mêmes lois que les sauteurs biologiques", a-t-il déclaré.

Les systèmes biologiques ont longtemps servi de premiers et meilleurs modèles de locomotion, et cela a été particulièrement vrai pour le saut, défini par les chercheurs comme un "mouvement créé par des forces appliquées au sol par le sauteur, tout en maintenant une masse constante". De nombreux cavaliers techniques se sont concentrés sur la duplication des conceptions fournies par l'évolution, et avec un grand effet.

Mais les éléments qui créent un saut dans un système biologique peuvent être limitants pour les systèmes d'ingénierie, a déclaré Charles Xaio, titulaire d'un doctorat. candidat dans le laboratoire de Hawkes.

"Les systèmes biologiques ne peuvent sauter qu'avec autant d'énergie qu'ils peuvent produire en un seul coup de muscle", a déclaré Xaio. Ainsi, le système est limité dans la quantité d'énergie qu'il peut donner pour pousser le corps du sol, et le sauteur ne peut sauter qu'à une certaine hauteur.

Pour les cavaliers techniques, cependant, les chercheurs ont pensé qu'il pourrait y avoir un moyen d'augmenter la quantité d'énergie disponible.

Ils utilisent des moteurs qui cliquent ou tournent pour prendre de nombreux coups, multipliant la quantité d'énergie qu'ils peuvent stocker dans leur ressort. Les chercheurs ont appelé cette capacité "multiplication du travail", que l'on retrouve dans les pulls techniques de toutes formes et tailles.

"Cette différence entre la production d'énergie dans les sauteurs biologiques et techniques signifie que les deux devraient avoir des conceptions très différentes pour maximiser la hauteur de saut", a déclaré Xiao. Les animaux doivent avoir un petit ressort - juste assez pour stocker la quantité relativement faible d'énergie produite par leur seul coup musculaire - et une grande masse musculaire. En revanche, les sauteurs techniques doivent avoir un ressort aussi grand que possible et un petit moteur. »

Les chercheurs ont pris ces connaissances et conçu un sauteur assez différent des sauteurs biologiques - la taille de son ressort par rapport à son moteur est près de 100 fois supérieure à celle trouvée chez les animaux. De plus, ils ont conçu un nouveau ressort, cherchant à maximiser son stockage d'énergie par unité de masse. Dans leur ressort hybride tension-compression, les arcs de compression en fibre de carbone sont écrasés tandis que les élastiques sont étirés par la traction d'une ligne enroulée autour d'un axe motorisé. L'équipe a découvert que relier les bords des arcs vers l'extérieur au milieu avec du caoutchouc en tension améliorait également la résistance du ressort.

"Étonnamment, le caoutchouc rend le ressort d'arc de compression plus fort", a déclaré Hawkes. "Vous pouvez compresser davantage le ressort sans qu'il ne se brise."

Le sauteur est conçu pour être léger, avec un mécanisme de verrouillage minimaliste pour libérer l'énergie nécessaire au saut, et également aérodynamique, avec les jambes repliées pour minimiser la traînée d'air pendant le vol. Au total, ces caractéristiques de conception lui permettent d'accélérer de 0 à 60 mph en 9 millisecondes - une force d'accélération de 315 g - et d'atteindre la hauteur d'environ 100 pieds dans les démonstrations des chercheurs. Pour les sauteurs motorisés, c'est "près de la limite réalisable de la hauteur de saut avec les matériaux actuellement disponibles", selon l'étude.

Cette conception et la capacité de dépasser les limites fixées par les conceptions biologiques ouvrent la voie à la réinvention du saut en tant que forme efficace de locomotion mécanique. Les robots sauteurs pourraient atteindre des endroits où seuls les robots volants atteignent actuellement.

Les avantages seraient encore plus prononcés hors de la Terre. Les robots sauteurs pourraient voyager efficacement à travers la lune ou les planètes, sans faire face à des obstacles à la surface, tout en accédant à des fonctionnalités et à des perspectives inaccessibles aux robots basés sur le terrain.

"Nous avons calculé que l'appareil devrait être capable de franchir 125 mètres de hauteur tout en sautant un demi-kilomètre en avant sur la lune", a déclaré Hawkes, soulignant que la gravité de la lune est 1/6 de celle sur Terre et qu'il n'y a pratiquement pas traînée d'air. "Ce serait un pas de géant pour les cavaliers techniques."