[Robotique] Un robot-serpent pour mener des investigations souterraines

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Après avoir observé de nombreux robots capables de s’envoler dans les airs, ou encore d’explorer les mers et océans, c’est désormais sous la terre que les robots pourraient nous surprendre.

Aujourd’hui, ce sont des chercheurs de l’UC Santa Barbara (UCSB) et du Georgia Institute of Technology qui dévoilent leur robot capable de creuser sous le sable ou dans un sol mou pour réaliser des recherches.

Un déploiement prometteur dans un domaine encore peu accessible aux robots.

Un défi de taille 

L’Université de Santa Barbara et le Georgia Institute of Technology ont mis au point un robot-serpent capable de creuser dans le sable et d’explorer les souterrains terrestres.
Les premiers résultats, présentés dans un article de Science Robotics le 16 juin dernier, démontrent les capacités de ce nouveau type de robot.

Un défi de taille, quand on connait la complexité du déplacement souterrain.
En effet, les robots dédiés aux recherches souterraines sont encore très limités puisqu’ils sont confrontés à une résistance bien plus importante que dans les airs ou dans l’eau.
“Si vous essayez de vous déplacer dans le sol, vous devez repousser le sol, le sable ou tout autre milieu”, a déclaré Nicholas Naclerio, chercheur diplômé de l’UC Santa Barbara et auteur principal de l’article, nous rapporte l’UCSB sur son blog.

Lors de la première tentative du robot pour creuser horizontalement, celui-ci remontait automatiquement à la surface. Les chercheurs se sont alors aperçus que lorsqu’un objet symétrique se déplace horizontalement au sein d’un support granulaire il subit un soulèvement, car il est plus facile de pousser le matériau vers le haut et de l’écarter que de le compacter.
“Alors que les gaz ou les liquides s’écoulent uniformément sur et sous un objet symétrique en déplacement, dans le sable fluidisé, la répartition des forces n’est pas aussi équilibrée et crée une force de levage importante pour le robot se déplaçant horizontalement”, explique-t-il.

Pour parer à ce problème, les chercheurs ont réalisé des mesures de traînée et de portance de différents angles de flux d’air à partir de la pointe d’une tige solide enfoncée horizontalement dans le sable.
Ces études leur ont permis de comprendre comment réduire la contrainte de friction via un fluide à faible densité en charge pour soulever et éloigner les grains d’un objet intrus.

C’est comme cela que la conception du robot sous la forme d’un serpent est née, permettant de relever ces défis.
Recouvert de tissu en nylon indéchirable et hermétique, le robot dispose également d’une tresse en fibre de carbone, visant à améliorer sa rigidité en torsion, et d’une gaine en téflon pour réduire encore davantage la friction.

Un robot inspiré par la nature

Cette conception unique ne s’inspire pas seulement du serpent, mais également d’autres animaux et des plantes !

En effet, c’est en étudiant les racines des plantes, qui poussent à partir de leur pointe pour grandir profondément dans le sol, que les chercheurs ont vu une similitude avec les mouvements souhaités pour le robot.
En imitant le mécanisme des racines d’une vigne, ce robot-serpent s’étend depuis sa pointe et n’avance donc qu’à partir de son extrémité, qui sera, elle, capable de s’agrandir, tout en gardant le reste de son corps immobile.
Grâce à ce fonctionnement, le robot limite ainsi les frottements sur ses côtés et peut tourner dans n’importe quelle direction.

Pour faire avancer le robot et repousser la force de portance, les chercheurs se sont aussi inspirés des pieuvres de sables.
Cette espèce est capable d’expulser un jet d’eau lorsqu’elle se sent en danger, lui permettant ensuite de creuser un trou pour s’enfouir dans le sol.
Le robot avance de la même manière, en utilisant la fluidisation granulaire, qui permet de suspendre les particules dans un état similaire à un fluide.

Ainsi, sa pointe projette de l’air via un tube en nylon dans la région située à l’extrémité en croissance du robot, ce qui lui permet de se déplacer dans cette zone. Le mouvement est induit pneumatiquement par de l’air comprimé ou de l’azote.

Le coin incliné à l’extrémité du robot, dédié à contrôler les forces de portance, a quant à lui été inspiré par le lézard poisson des sables, dont la tête en forme de coin favorise les mouvements descendants pour permettre au robot de s’enfouir dans le sable.

En s’inspirant des plantes et des animaux, ce robot souple peut éviter les obstacles et se créer un chemin facilement dans le sol à la vitesse de 2 cm/s. Ces mouvements sont rapides, précis et restent peu invasifs pour évoluer dans les espaces souterrains.

Des applications diverses

Dans un premier temps, le robot pourrait servir lors d’activités de creusement de fossés terrestres. Il pourrait par exemple creuser de part et d’autre d’une allée dans le but d’y installer une ligne d’irrigation ou de communication, sans devoir créer de tranchée. Un gain de temps et d’argent pour de nombreux projets.

Ce type de robot exploratoire pourrait également être très efficace pour des missions d’échantillonnage du sol, de contrôle de l’érosion ou encore pour des installations souterraines diverses comme des boucles géothermiques.
Il pourrait aussi être utilisé lors de missions de sauvetage en aidant les secouristes à fouiller dans les décombres.

Mais son cas d’utilisation le plus surprenant reste celui de la recherche au sein d’environnements extraterrestres !
En effet, d’après les chercheurs, son fonctionnement capable de moduler l’ancrage du corps du robot dans le milieu est parfaitement adapté à l’exploration dans des environnements à faible gravité.
“Nous pensons que le creusement a le potentiel d’ouvrir de nouvelles voies et de permettre de nouvelles capacités pour la robotique extraterrestre”, a déclaré Elliot Hawkes, professeur de génie mécanique de l’UC Santa Barbara.
Ainsi, le robot pourrait être utile pour placer des capteurs thermiques sur Mars ou réaliser de l’échantillonnage.

L’équipe travaille d’ailleurs actuellement avec la NASA pour développer via des terriers l’exploration de la lune mais aussi sur des corps plus éloignés comme Encelade, une lune de Saturne.

Avec ces multiples applications et ses grandes possibilités, cette conception unique pourrait révolutionner le domaine de la robotique souterraine.
D’autant plus que cette forme spéciale et adaptée aux explorations souterraines pourrait également en inspirer d’autres.

De leur côté, les chercheurs de l’Université de Stanford ont également développé un robot en forme de long tube souple, gonflé à l’air comprimé et dédié à se déplacer dans des environnements plutôt étroits.
Lui aussi pourrait être utile pour l’exploration de décombres lors de catastrophes, des opérations de câblages et de communications, mais aussi dans le domaine médical pour explorer certaines parties du corps humain.

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Photo de couverture : image d’illustration.