mit_surveiller_océan_2018

Les ingénieurs du MIT ont conçu un planeur robotisé capable de survoler la surface de l’eau, de prendre le vent comme un albatros tout en surfant sur les vagues comme un voilier. Dans les régions de fort vent, le robot est conçu pour rester en l’air, tout comme son homologue aviaire. Là où il y a des vents plus calmes, le robot peut tremper une quille dans l’eau pour rouler comme un voilier très efficacement.

Le système robotique, qui emprunte à la fois des conceptions nautiques et biologiques, peut couvrir une distance donnée en utilisant un tiers de vent comme un albatros et en voyageant 10 fois plus vite qu’un voilier. Le planeur est également relativement léger, pesant environ 2,7 kg. Les chercheurs espèrent que dans un proche avenir, de tels planeurs robotiques rapides et compacts, pourront être déployés en équipes pour étudier de vastes étendues d’océan.

« Les océans restent largement sous surveillés », explique Gabriel Bousquet, ancien postdoctorant 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 les changements climatiques. Mais c’est très difficile d’y arriver. Nous pouvons maintenant utiliser l’énergie de l’environnement de manière efficace pour faire ce voyage de longues distances, avec un petit système. »

La physique de la vitesse

L’année dernière, Bousquet et son équipe ont publié une étude sur la dynamique du vol des albatros, dans laquelle ils ont identifié les mécanismes qui permettent au voyageur infatigable de couvrir de vastes distances, tout 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.

Plus précisément, les chercheurs ont découvert que l’oiseau peut effectuer un processus mécanique appelé «transfert d’impulsion», dans lequel il prend son élan à partir de couches d’air plus hautes et plus rapides et, en plongeant, transfère cet élan vers des couches plus basses et plus lentes. sans avoir à battre continuellement ses ailes.

Un fait intéressant, Bousquet a observé que la physique du vol des albatros est très similaire à celle du voilier. L’albatros et le voilier transmettent l’élan afin de continuer à avancer. Mais dans le cas du voilier, ce transfert ne se produit pas entre des couches d’air, mais entre l’air et l’eau. «Les voiliers prennent leur élan du vent avec leur voile et l’injectent dans l’eau en le repoussant avec leur quille», explique Bousquet. « Voilà comment l’énergie est extraite pour les voiliers. »

Bousquet a également réalisé que la vitesse à laquelle un albatros et un voilier peuvent voyager dépend de la même équation générale, liée au transfert de l’impulsion. Essentiellement, l’oiseau et le bateau peuvent voyager plus rapidement s’ils peuvent rester en l’air facilement ou interagir avec deux couches, ou médiums, de vitesses très différentes.

mit-robot

L’albatros se comporte bien avec le premier, car ses ailes fournissent une portance naturelle, bien qu’il vole entre les couches d’air avec une différence relativement faible dans les vitesses du vent. Quant au voilier, il excelle en voyageant entre deux médiums de vitesses très différentes – l’air contre l’eau – bien que sa coque crée beaucoup de frottement et l’empêche d’obtenir beaucoup de vitesse. Bousquet se demandait: Que se passerait-il si un véhicule pouvait être conçu pour bien fonctionner dans les deux médiums, en mariant les qualités de vitesse de l’albatros et du voilier ?

Sur l’eau

L’équipe a dessiné un design pour un tel véhicule hybride, qui ressemblait finalement à un planeur autonome avec une envergure de 3 mètres, semblable à celle d’un albatros. Ils ont ajouté une grande voile triangulaire, ainsi qu’une mince quille semblable à une aile. Ils ont ensuite effectué une modélisation mathématique pour prédire comment une telle conception fonctionnerait.

Selon leurs calculs, le véhicule à propulsion éolienne n’aurait besoin que de vents relativement calmes d’environ 5 nœuds pour traverser les eaux à une vitesse d’environ 20 nœuds. «Nous avons constaté que dans les vents légers, vous pouvez voyager environ trois à dix fois plus vite qu’un voilier traditionnel, et vous avez besoin d’environ la moitié du vent d’un albatros pour atteindre 20 nœuds», explique Bousquet. « C’est très efficace, et vous pouvez voyager très vite, même s’il n’y a pas trop de vent. »

L’équipe a construit un prototype à partir de leur design, en utilisant une cellule de planeur conçue par Mark Drela, professeur d’aéronautique au MIT. Au fond du planeur, ils ont ajouté une quille, ainsi que certaines fonctionnalités, telles que le GPS, des capteurs de mesure inertiels, des instruments de pilotage automatique et des ultrasons, pour suivre la hauteur du planeur au-dessus de l’eau.

«Le but ici était de montrer que nous pouvons contrôler très précisément la hauteur que le robot peut atteindre en volant au-dessus de l’eau, puis descendre jusqu’à l’endroit où la quille peut passer sous l’eau pour générer une force de propulsion.», explique Bousquet.

Tester le concept

À l’automne 2016, l’équipe a mis son concept à l’épreuve en lançant le robot du Pavillon du MIT sur la rivière Charles. Comme le robot n’était pas doté de mécanismes pour le faire démarrer, l’équipe l’a suspendue à une canne à pêche attachée à un bateau baleinier. Avec cette configuration, le bateau a remorqué le robot le long de la rivière jusqu’à ce qu’il atteigne environ 30 km/h, puis le robot a «décollé» de lui-même, chevauchant le vent par lui-même.

Une fois qu’il a volé de façon autonome, Bousquet a utilisé une télécommande pour donner au robot une commande «down», l’incitant à plonger assez plus bas pour submerger sa quille dans la rivière. Ensuite, il a ajusté la direction de la quille, et a observé que le robot était capable de s’éloigner du bateau, comme cela était prévu. Il a ensuite donné l’ordre au robot de remonter, en soulevant la quille hors de l’eau.

Surveiller les océans

«Nous volions très près de la surface, et il y avait très peu de marge d’erreur – tout devait être en place», explique Bousquet. « Donc c’était très stressant, mais très excitant. » Les expériences, dit-il, prouvent que ce dispositif conceptuel de l’équipe peut voyager avec succès, propulsé par le vent et l’eau. Finalement, il envisage des flottes de ces véhicules pour la surveillance de grandes étendues de l’océan.

« Imaginez que vous pouvez voler comme un albatros quand il y a beaucoup de vent, et quand il n’y a pas assez de vent, la quille vous permet de naviguer comme un voilier », explique Bousquet. « Cela élargit considérablement les types de régions où vous pouvez aller. » Cette recherche a été soutenue, en partie, par la bourse Link Ocean Instrumentation.

Crédit vidéo et GIF : MIT
Source : MIT