Des ingénieurs de Stanford créent un robot bio-inspiré capable de se percher avec précision

À l'image des flocons de neige, deux branches ne sont jamais identiques. Elles diffèrent par leur taille, leur forme et leur texture ; certaines peuvent être humides, recouvertes de mousse ou bourgeonnantes. Pourtant, les oiseaux parviennent à se poser sur pratiquement toutes ces surfaces. Cette capacité a vivement intéressé les laboratoires des ingénieurs de Stanford Mark Cutkosky et David Lentink — ce dernier étant désormais à l'Université de Groningue aux Pays-Bas — qui développent tous deux des technologies inspirées des capacités animales.

« Il n'est pas facile d'imiter le vol et le perchage des oiseaux », explique William Roderick, doctorant en 2020 dans les deux laboratoires. « Après des millions d'années d'évolution, ils rendent le décollage et l'atterrissage si simples, malgré toute la complexité et la variabilité des branches d'arbres que l'on trouve en forêt. »

Des années d'études sur les robots bio-inspirés au laboratoire Cutkosky et sur les robots aériens inspirés des oiseaux au laboratoire Lentink ont permis aux chercheurs de construire leur propre robot percheur. Fixé sur un drone quadricoptère, leur « préhenseur aérien bio-inspiré stéréotypé » (SNAG) forme un robot capable de voler, d'attraper et de transporter des objets, et de se percher sur diverses surfaces. Démontrant la polyvalence potentielle de ce travail, les chercheurs l'ont utilisé pour comparer différents types d'arrangements des orteils d'oiseaux et pour mesurer des microclimats dans une forêt reculée de l'Oregon.

Études préliminaires sur les perruches

Dans leurs études antérieures sur les perruches — la deuxième plus petite espèce de perroquet — ces minuscules oiseaux volaient de manière répétée entre des perchoirs spéciaux, filmés par cinq caméras haute vitesse. Les perchoirs — représentant une variété de tailles et de matériaux, dont le bois, la mousse, le papier de verre et le Téflon — étaient également équipés de capteurs mesurant les forces physiques associées aux atterrissages, au perchage et aux décollages des oiseaux.

« Ce qui nous a surpris, c'est qu'ils effectuaient les mêmes manœuvres aériennes, quelle que soit la surface sur laquelle ils atterrissaient », déclare Roderick, auteur principal de l'article. « Ils laissaient leurs pattes gérer la variabilité et la complexité de la texture de surface elle-même. » Ce comportement formulaire observé à chaque atterrissage d'oiseau explique le « S » de SNAG, qui signifie « stéréotypé ».

Conception du robot SNAG

Tout comme les perruches, SNAG aborde chaque atterrissage de la même manière. Mais pour tenir compte de la taille du quadricoptère, SNAG s'inspire des pattes d'un faucon pèlerin. À la place des os, il possède une structure imprimée en 3D — qui a nécessité 20 itérations pour être perfectionnée — tandis que des moteurs et du fil de pêche remplacent les muscles et les tendons.

Chaque patte dispose de son propre moteur pour le mouvement d'avant en arrière et un autre pour la préhension. Inspiré par la façon dont les tendons contournent la cheville chez les oiseaux, un mécanisme similaire dans la patte du robot absorbe l'énergie d'impact à l'atterrissage et la convertit passivement en force de préhension. Résultat : le robot possède un embrayage particulièrement puissant et rapide qui se déclenche en 20 millisecondes. Une fois enroulé autour d'une branche, les chevilles de SNAG se verrouillent et un accéléromètre sur le pied droit signale l'atterrissage, déclenchant un algorithme d'équilibrage pour le stabiliser.

Tests en conditions réelles

Pendant la pandémie de COVID-19, Roderick a déplacé l'équipement, y compris une imprimante 3D, du laboratoire de Lentink à Stanford vers l'Oregon rural, où il a installé un laboratoire de test contrôlé dans son sous-sol. Il y a fait glisser SNAG le long d'un système de rail lançant le robot sur différentes surfaces, à des vitesses et orientations prédéfinies, pour évaluer ses performances dans divers scénarios. Avec SNAG maintenu en place, Roderick a également confirmé la capacité du robot à attraper des objets lancés à la main, notamment une proie factice, un sac de haricots et une balle de tennis. Enfin, Roderick et SNAG se sont aventurés dans la forêt voisine pour des essais en conditions réelles.

Dans l'ensemble, SNAG a si bien performé que les prochaines étapes de développement se concentreront probablement sur ce qui se passe avant l'atterrissage, comme l'amélioration de la conscience situationnelle et du contrôle de vol du robot.

Applications

Les applications potentielles de ce robot sont innombrables, notamment la recherche et le sauvetage et la surveillance des incendies de forêt ; il peut également être fixé à d'autres technologies que les drones. La proximité de SNAG avec les oiseaux permet aussi d'obtenir des informations uniques sur la biologie aviaire. Par exemple, les chercheurs ont fait fonctionner le robot avec deux arrangements d'orteils différents — l'anisodactylie, avec trois orteils à l'avant et un à l'arrière comme le faucon pèlerin, et la zygodactylie, avec deux orteils à l'avant et deux à l'arrière comme la perruche. Ils ont découvert, à leur grande surprise, qu'il y avait très peu de différence de performance entre les deux.

Pour Roderick, dont les parents sont tous deux biologistes, l'une des applications les plus enthousiasmantes de SNAG réside dans la recherche environnementale. À cette fin, les chercheurs ont également fixé un capteur de température et d'humidité au robot, que Roderick a utilisé pour enregistrer le microclimat en Oregon.

« Une partie de la motivation sous-jacente de ce travail était de créer des outils pour étudier le monde naturel », déclare Roderick. « Si nous pouvions avoir un robot qui agit comme un ouvrant des moyens complètement nouveaux d'étudier l'environnement. »