Le robot sauteur de 30 mètres de UC Santa Barbara établit un nouveau record de hauteur

Un sauteur mécanique développé par le professeur d'ingénierie Elliot Hawkes de l'Université de Californie Santa Barbara et collaborateurs est capable d'atteindre la plus grande hauteur — environ 100 pieds (30 mètres) — de tout sauteur à ce jour, conçu ou biologique. L'exploit représente une approche fraîche du design de dispositifs sauteurs et avance la compréhension du saut comme forme de locomotion.

« La motivation venait d'une question scientifique », dit Hawkes, qui en tant que roboticien cherche à comprendre les nombreuses méthodes possibles pour qu'une machine navigue dans son environnement. « Nous voulions comprendre quelles étaient les limites des sauteurs conçus. » Bien qu'il y ait des siècles d'études sur les sauteurs biologiques (ça serait nous dans le règne animal), et des décennies de recherche sur les sauteurs mécaniques principalement bio-inspirés, il dit, les deux lignes d'enquête ont été gardées quelque peu séparées. « Il n'y avait pas vraiment d'étude qui compare et contraste les deux et comment leurs limites sont différentes — si les sauteurs conçus sont vraiment limités aux mêmes lois que les sauteurs biologiques », dit-il.

Les systèmes biologiques ont longtemps servi de premiers et meilleurs modèles pour la 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 ». Beaucoup de sauteurs conçus ont focalisé sur la duplication des designs fournis par l'évolution, et à grand effet.

Mais les éléments qui créent un saut dans un système biologique peuvent être limitants pour les systèmes conçus, dit Charles Xiao, candidat Ph.D. dans le labo de Hawkes.

« Les systèmes biologiques ne peuvent sauter qu'avec autant d'énergie qu'ils peuvent produire en un seul coup de leur muscle », dit Xiao. Ainsi, le système est limité dans la quantité d'énergie qu'il peut donner pour pousser le corps hors du sol, et le sauteur ne peut sauter que si haut.

Pour les sauteurs conçus, cependant, les chercheurs pensaient qu'il pourrait y avoir un moyen d'augmenter la quantité d'énergie disponible.

Ils utilisent des moteurs qui cliquettent ou tournent pour faire de nombreux coups, multipliant la quantité d'énergie qu'ils peuvent stocker dans leur ressort. Les chercheurs ont nommé cette capacité « multiplication du travail » (work multiplication), qu'on trouve dans les sauteurs conçus de toutes formes et tailles.

« Cette différence entre production d'énergie en sauteurs biologiques vs conçus signifie que les deux devraient avoir des designs très différents pour maximiser la hauteur de saut », dit Xiao. Les animaux devraient avoir un petit ressort — juste assez pour stocker la quantité d'énergie relativement petite produite par leur unique coup de muscle — et une grande masse musculaire. En contraste, les sauteurs conçus devraient avoir un ressort aussi grand que possible et un minuscule moteur. »

Les chercheurs ont pris ces insights et conçu un sauteur très différent des sauteurs biologiques — la taille de son ressort relative à son moteur est près de 100x plus grande que 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, des arcs de compression en fibre de carbone sont comprimés pendant que des élastiques sont étirés par la traction d'une ligne enroulée autour d'un fuseau motorisé. L'équipe a trouvé que lier les bords pliants vers l'extérieur des arcs au milieu avec du caoutchouc en tension améliorait aussi la force du ressort.

« Étonnamment, le caoutchouc rend le ressort à arc de compression plus fort », dit Hawkes. « Vous pouvez compresser le ressort plus loin sans qu'il casse. »

Le sauteur est conçu pour être léger, avec un mécanisme de verrouillage minimaliste pour libérer l'énergie pour le saut, et aussi aérodynamique, avec les pattes se repliant pour minimiser la traînée aérienne pendant le vol. Ensemble, ces caractéristiques de design lui permettent d'accélérer de 0 à 60 mph en 9 millisecondes — une force d'accélération de 315g — et d'atteindre la hauteur d'environ 100 pieds dans les démonstrations des chercheurs. Pour les sauteurs à moteur, c'est « près de la limite faisable de hauteur de saut avec les matériaux actuellement disponibles », selon l'étude.

Ce design et la capacité à dépasser les limites fixées par les designs biologiques préparent le terrain pour la réimagination du saut comme forme efficace de locomotion machine. Les robots sauteurs pourraient aller où seuls les robots volants atteignent actuellement.

Les bénéfices seraient encore plus prononcés hors Terre. Les robots sauteurs pourraient voyager à travers la Lune ou planètes efficacement, sans gérer les obstacles de surface, tout en accédant à des caractéristiques et perspectives inaccessibles aux robots terrestres.

« Nous avons calculé que le dispositif devrait pouvoir franchir 125 mètres de hauteur en sautant un demi-kilomètre en avant sur la Lune », dit Hawkes, soulignant que la gravité lunaire est 1/6 de la Terre et qu'il n'y a pratiquement pas de traînée aérienne. « Ce serait un bond de géant pour les sauteurs conçus. »

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