Membre artificiel imprimé en 3D inspiré de la biologie aidant les insectes cyborgs dans la locomotion auto-correctrice

Contexte de la recherche

Dans les opérations de sauvetage, afin d’améliorer l’efficacité des recherches, une solution émergente consiste à utiliser une combinaison de sacs électroniques et d’insectes — les insectes cyborg (cyborg insects). Ces insectes combinent les avantages des technologies biologiques et électroniques, utilisant des sacs électroniques pour la communication, la détection et le contrôle. Cependant, les équipements supplémentaires peuvent affecter l’équilibre des insectes, notamment dans leurs mouvements d’auto-redressement. Si un insecte subit une chute ou un choc inattendu pendant une mission, l’équipement initial pourrait l’empêcher de se relever et de se déplacer librement. Pour relever ce défi, cette étude introduit une prothèse biomimétique imprimée en 3D, inspirée des mouvements d’auto-redressement de la coccinelle, améliorant la flexibilité des insectes cyborg dans des conditions complexes et imprévisibles.

Source de l’article

Cette recherche a été réalisée par Marc Josep Montagut Marques, Qiu Yuxuan, Hirotaka Sato et l’équipe de Shinjiro Umezu. Les auteurs appartiennent respectivement au Département de Bioingénierie Intégrative et au Département de Génie Mécanique Moderne de l’Université de Waseda au Japon, ainsi qu’à l’École de Génie Mécanique et Aéronautique de l’Université Technologique de Nanyang à Singapour. Cet article est publié dans le journal « npj | Robotics » en 2024.

Processus de travail de la recherche

Étapes et conception des expériences de recherche

Le travail de recherche comporte les étapes principales suivantes :

Étape 1 : Conception de l’aile artificielle Inspirée par les mouvements d’auto-redressement des coccinelles, cette étude a conçu une aile artificielle biomimétique imprimée en 3D (bio-inspired artificial wing). Ce design intègre le contrôle logique, des capteurs de mouvement, le stockage d’énergie et un mécanisme actif d’auto-redressement. La géométrie de l’aile biomimétique est basée sur des paramètres clés extraits de la courbure du corps et des caractéristiques de mouvement de la coccinelle.

Étape 2 : Technique d’impression 3D habile L’aile biomimétique a été fabriquée en utilisant la technologie d’impression 3D par traitement de la lumière numérique (DLP), garantissant que les composants mécaniques produits peuvent fonctionner efficacement dans des scénarios de catastrophe. Utilisant des outils et matériaux courants, cette méthode facilite l’adoption et l’amélioration par d’autres chercheurs.

Étape 3 : Tests de prototype et optimisation Des tests préliminaires d’auto-redressement ont été réalisés avec un prototype simple d’aile, lequel est connecté au sac électronique par une articulation pivotante, permettant une rotation de 45 degrés. Les tests ont montré que l’aile biomimétique permet de réaliser des angles d’inclinaison plus importants, augmentant ainsi le taux de succès de l’auto-redressement.

Tests d’auto-redressement

L’équipe de recherche a mené des tests dans divers environnements, suivant les étapes spécifiques et obtenant les résultats suivants :

Étape 1 : Simulation des conditions de surface des missions de sauvetage Les insectes ont été placés sur trois surfaces simulant des scénarios de sauvetage : une feuille de papier plane, une disposition de cailloux et un sol en bois dur. Les insectes ont été lâchés d’une hauteur de 30 cm, et leur capacité d’auto-redressement a été observée sous différentes charges.

Étape 2 : Tests d’angles précis L’angle de pente a été testé sur une plaque en acrylique transparent, analysant le taux de succès d’auto-redressement des insectes sur des surfaces inclinées à divers angles. Lors d’expériences ultérieures, le sac était attaché sur les insectes afin d’observer leur réponse dynamique pendant la chute.

Résultats et conclusion de l’expérience

Résultat 1 : Performance exceptionnelle de l’aile biomimétique Les tests ont prouvé que l’aile biomimétique performe bien sur différentes surfaces, en particulier sur des environnements simulant des rochers et de la terre, où le taux de succès de l’auto-redressement était nettement supérieur à d’autres designs.

Résultat 2 : Plus grand angle d’inclinaison et efficacité de récupération supérieure Une caractéristique clé de l’aile biomimétique est sa capacité à réaliser un angle d’auto-redressement maximal de 150°. En comparaison, les insectes avec des ailes standards pouvaient atteindre un maximum de 98°, non seulement avec une fréquence d’auto-redressement plus élevée, mais aussi avec un temps de récupération plus court que d’autres designs.

Conclusion et application pratique Cette étude démontre que l’utilisation de prothèses biomimétiques peut réellement améliorer la capacité d’auto-redressement des insectes dans des environnements complexes et imprévisibles. Cela pose une base solide pour l’utilisation de ces insectes cyborg pour les missions de sauvetage, offrant une grande valeur pratique et scientifique.

Points forts de la recherche

1. Design innovant : La conception de la prothèse biomimétique imprimée en 3D, intégrant les caractéristiques structurelles et les mouvements naturels des coccinelles, présente un taux élevé de succès d’auto-redressement.
2. Faisabilité pratique : La recherche prouve que ces insectes cyborg montrent des performances exceptionnelles dans des environnements de catastrophe, apportant une nouvelle solution pour les applications de sauvetage pratiques.
3. Méthodes de fabrication et de conception simples : Utilisant des matériaux et outils courants, la méthode est facile à reproduire et peut être largement appliquée dans les domaines de recherche concernés.

Dans le domaine des insectes cyborg, les résultats de cette recherche ont significativement avancé l’application pratique des insectes robots, offrant une nouvelle perspective pour les missions de sauvetage futures. Cela a non seulement stimulé l’application des technologies biomimétiques et d’impression 3D dans le domaine de la robotique, mais a également fourni un outil de sauvetage pratique et à faible coût, augmentant considérablement l’efficacité des opérations de recherche et de sauvetage dans des scénarios de catastrophe complexes.