Les ingénieurs du California Institute of Technology, plus connu sous le nom de Caltech, viennent de présenter un prototype aussi original qu’intéressant : un drone hybride, capable de se transformer en plein vol pour passer en configuration roulante.
Ce n’est loin d’être la première fois qu’un laboratoire de recherche conçoit un drone capable de voler et de rouler. Jusqu’à présent, la quasi-totalité des appareils de ce genre ont opté pour une approche consistant à effectuer la transformation au sol, une fois l’atterrissage terminé. Mais cette approche présente deux inconvénients : l’appareil est forcé de s’immobiliser quelque temps et risque de se retrouver vulnérable pendant la transformation.
Caltech a donc opté pour une approche différente. Son nouvel engin, appelé Aerially Transforming Morphbot (ou ATMO), dispose d’hélices hybrides qui changent de configuration en plein vol pour se transformer en roues à l’approche de la surface.
Un grand défi d’ingénierie
C’est un concept beaucoup plus difficile à mettre en place qu’il n’y paraît, notamment à cause des facteurs aérodynamiques complexes qui entrent en jeu pendant la métamorphose.
« Même si cela semble simple lorsque vous regardez un oiseau atterrir puis courir, en réalité, il s’agit d’un problème auquel l’industrie aérospatiale s’efforce de faire face depuis probablement plus de 50 ans », explique Mory Gharib, directeur de l’équipe à l’origine de ces travaux.
En effet, tous les véhicules volants subissent des forces complexes à proximité du sol. Les hélicoptères en sont un bon exemple. Lorsqu’ils atterrissent, leurs hélices propulsent une grande quantité d’air vers le bas. Or, cet air ne disparaît pas immédiatement ; il interagit avec la surface et “rebondit” en partie vers le haut. Si l’appareil essaie d’atterrir trop vite, il peut être aspiré dans un tourbillon formé par cet air réfléchi, ce qui entraîne une perte de portance aux conséquences potentiellement catastrophiques.
C’est encore plus difficile avec un engin comme ATMO. Non seulement il doit gérer ces interactions complexes, mais il possède également quatre propulseurs mobiles distincts qui modifient constamment la dynamique du flux d’air au voisinage des autres, créant ainsi des turbulences et une instabilité particulièrement complexes à gérer.
« Dès que le robot commence à se transformer, on observe différents couplages dynamiques, c’est-à-dire différentes forces interagissant entre elles. Le système de contrôle doit pouvoir réagir rapidement à tout cela », résume Ioannis Mandralis, co-auteur de l’étude.
Pour donner vie à leur concept, les ingénieurs de Caltech ont donc été forcés de réaliser des simulations de physique des fluides complexes, à la fois dans le monde réel et dans un environnement virtuel. Ces expériences leur ont permis de modéliser précisément les interactions entre tous les éléments du système.
Ils ont ensuite pu intégrer ces paramètres dans ce qu’ils appellent un modèle de contrôle prédictif. Cet algorithme anticipe constamment la manière dont l’appareil devrait se comporter en fonction des caractéristiques de son environnement immédiat et de la configuration de ses rotors à un instant donné.
Un vrai potentiel dans plusieurs industries
À terme, cette innovation pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de drones hybrides extrêmement polyvalents, capables de rendre de fiers services dans de nombreuses industries. On pense par exemple aux opérations de secours ; un engin de ce genre pourrait se déplacer aisément dans des environnements très accidentés et dangereux pour chercher les victimes d’une catastrophe naturelle.
L’industrie spatiale pourrait aussi en bénéficier dans des missions comme Mars 2020. Pour rappel, cette dernière a été construite autour de deux appareils : le rover Perseverance, qui cherche des biosignatures dans le cratère de Jezero, et Ingenuity, le formidable petit hélicoptère martien de la NASA. La complémentarité des deux compères a grandement bénéficié à la mission ; le second a notamment servi de guide et d’éclaireur au premier, dont les mouvements sont considérablement limités par le côté impraticable de la surface martienne. Un engin hybride de ce genre pourrait faire des merveilles dans ce contexte, car il pourrait explorer de nombreux points d’intérêt scientifique en minimisant les risques.
On peut aussi imaginer des applications dans des domaines comme l’agriculture ou le suivi des écosystèmes. Un appareil de ce genre pourrait collecter une grande quantité de données précieuses depuis les airs, puis se déplacer au sol pour effectuer des prélèvements de sol, analyser la faune locale, et ainsi de suite. Enfin, un appareil comme l’ATMO pourrait aussi contribuer à des opérations d’inspection et de maintenance complexes sur des sites comme des raffineries, des ponts ou des centrales nucléaires.
Il sera donc intéressant de voir si le prototype de Caltech va donner des idées à d’autres constructeurs, suite à quoi nous pourrions assister à l’émergence d’une nouvelle génération de drones hybrides fascinants.
Le texte de l’étude est disponible ici.
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