Explorer le monde souterrain peu profond avec un robot mou fouisseur —

“Les plus grands défis pour se déplacer sur le sol sont simplement les forces impliquées”, a déclaré Nicholas Naclerio, un étudiant chercheur diplômé du laboratoire du professeur de génie mécanique de l’UC Santa Barbara, Elliot Hawkes et auteur principal d’un article sur la couverture du journal. Robotique scientifique. Alors que l’air et l’eau offrent peu de résistance aux objets qui les traversent, a-t-il expliqué, le monde souterrain est une autre histoire.

“Si vous essayez de vous déplacer dans le sol, vous devez repousser le sol, le sable ou tout autre milieu”, a déclaré Naclerio.

Heureusement, le monde naturel fournit de nombreux exemples de navigation souterraine sous la forme de plantes et de champignons qui construisent des réseaux souterrains et d’animaux qui ont maîtrisé la capacité de creuser des tunnels directement à travers des milieux granulaires. Acquérir une compréhension mécanique de la façon dont les plantes et les animaux ont maîtrisé la navigation souterraine ouvre de nombreuses possibilités pour la science et la technologie, selon Daniel Goldman, professeur de physique de la famille Dunn à Georgia Tech.

“La découverte des principes par lesquels divers organismes nagent et creusent avec succès dans les milieux granulaires peut conduire au développement de nouveaux types de mécanismes et de robots qui peuvent tirer parti de ces principes”, a-t-il déclaré. “Et réciproquement, le développement d’un robot doté de telles capacités peut inspirer de nouvelles études animales ainsi que mettre en évidence de nouveaux phénomènes dans la physique des substrats granulaires.”

Les chercheurs avaient une bonne longueur d’avance avec un robot souple semblable à une vigne conçu au Hawkes Lab qui imite les plantes et la façon dont elles se déplacent en poussant à partir de leurs pointes, tandis que le reste du corps reste immobile. Dans le milieu souterrain, l’extension de la pointe, selon les chercheurs, maintient les forces de résistance faibles et localisées uniquement à l’extrémité en croissance ; si tout le corps bougeait au fur et à mesure qu’il grandissait, la friction sur toute la surface augmenterait au fur et à mesure que le robot pénétrait dans le sable jusqu’à ce que le robot ne puisse plus bouger.

Les animaux fouisseurs, quant à eux, servent d’inspiration pour une stratégie supplémentaire appelée fluidisation granulaire, qui suspend les particules dans un état fluide et permet à l’animal de surmonter le niveau élevé de résistance présenté par le sable ou le sol meuble. La pieuvre des sables du sud, par exemple, expulse un jet d’eau dans le sol et utilise ses bras pour se tirer dans le sable temporairement desserré. Cette capacité a fait son chemin sur le robot des chercheurs sous la forme d’un dispositif d’écoulement basé sur une pointe qui projette de l’air dans la région juste avant l’extrémité en croissance, lui permettant de se déplacer dans cette zone.

“Le plus gros défi que nous ayons trouvé et ce qui a pris le plus de temps à résoudre, c’est lorsque nous sommes passés à l’enfouissement horizontal, nos robots faisaient toujours surface”, a déclaré Naclerio. Alors que les gaz ou les liquides s’écoulent uniformément sur et sous un objet symétrique en déplacement, a-t-il expliqué, 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. “Il est beaucoup plus facile de pousser le sable vers le haut et de l’écarter que de le compacter.”

Pour comprendre le comportement du robot et la physique largement inexplorée des intrusions assistées par air, l’équipe a pris des mesures de traînée et de portance à la suite de différents angles de flux d’air à partir de la pointe d’une tige solide enfoncée horizontalement dans le sable.

“La réponse de la force de frottement dans les matériaux granulaires diffère grandement de celle des fluides newtoniens, car l’intrusion dans le sable peut compacter et stresser de grandes étendues de terrain dans la direction du mouvement en raison d’une friction élevée”, a déclaré Andras Karsai, un étudiant chercheur diplômé du laboratoire de Goldman. “Pour atténuer cela, un fluide à faible densité qui soulève et éloigne les grains d’un intrus réduira souvent la contrainte de friction nette qu’il doit surmonter.”

Contrairement au gaz ou au liquide, où un jet de fluide descendant créerait une portance pour l’objet en déplacement, dans le sable, le flux d’air descendant réduisait les forces de portance et creusait le sable sous la pointe de croissance du robot. Ceci, combiné à l’inspiration du lézard poisson de sable, dont la tête en forme de coin favorise le mouvement vers le bas, a permis aux chercheurs de moduler les forces de résistance et de maintenir le robot en mouvement horizontal sans sortir du sable.

Un petit robot exploratoire et souple comme celui-ci a une variété d’applications où un creusement peu profond à travers des milieux granulaires secs est nécessaire, comme l’échantillonnage du sol, l’installation souterraine d’utilitaires et le contrôle de l’érosion. L’extension de la pointe permet des changements de direction, tout en permettant également au corps du robot de moduler son ancrage dans le milieu – un contrôle qui pourrait devenir utile pour l’exploration dans des environnements à faible gravité. En fait, l’équipe travaille sur un projet avec la NASA pour développer des terriers pour la lune ou des corps encore plus éloignés, comme Encelade, une lune de Jupiter.

“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 Hawkes.

Les recherches pour cet article ont également été menées par Mason Murray-Cooper, Yasemin Ozkan-Aydin et Enes Aydin au Georgia Institue of Technology.

Vidéo: https://www.youtube.com/watch?v=v1nmNDtqs4Q