Drones et biomimétisme : Top 5 des drones bio-inspirés

La nature regorge d’espèces volantes en tout genre. S’en inspirer pour concevoir des drones ou des aéroplanes tombe sous le sens, et les pionniers de l’aviation comme De Vinci ou Ader l’avaient bien compris ! De nos jours, le développement de drones plus performants pourrait bien trouver sa source dans le biomimétisme.


En effet, le vivant sait parfaitement comment gérer l’écoulement de l’air, économiser son énergie, réagir à l’imprévu… La maîtrise du vol des oiseaux et des insectes est encore loin d’être égalée par l’homme, bien que de nombreux projets s’y attellent ! C’est pourquoi aujourd’hui nous vous présentons notre top 5 des projets de drones bio-inspirés les plus étonnants !


Bat Bot, un drone inspiré de la chauve-souris pour mieux manœuvrer


Dotées d’ailes et d’écholocation, les chauve-souris sont les seuls mammifères capables de véritablement voler (les écureuils volants se contentant simplement de planer). Contrairement aux oiseaux, les ailes des chauves-souris sont très fines : elles consistent en une membrane vascularisée tendue entre les doigts articulés de l’animal. Cette vascularisation permet aux chauve-souris de réguler leur température corporelle pendant l’effort. De plus, l’utilisation des doigts permet à l’animal de contrôler avec précision le mouvement de l’aile, et donc l’écoulement de l’air autour de celle-ci.


Des études comparant la consommation d’oxygène en vol des chauve-souris et celle des oiseaux laissent entendre que le vol des chauve-souris est aussi efficace que celui des oiseaux, bien que ces résultats soient controversés par une étude plus récente comparant leurs performances aérodynamiques.


Quoi qu’il en soit le vol de la chauve-souris, tire parti de la morphologie particulière de l’aile : en utilisant ses doigts ainsi que l’élasticité de sa membrane, la chauve-souris projette l’air avec plus de force qu’une aile classique. Des chercheurs de l’université Caltech s’en sont inspirés pour concevoir le Bat Bot, un drone reproduisant la membrane et les articulations de la chauve-souris. Conçu au départ pour étudier plus précisément les mécanismes du vol de cet animal, ce drone est également très manœuvrable et potentiellement moins dangereux que les modèles quadrirotors commercialisés actuellement du fait de sa membrane souple et de l’absence de pales tournantes. Cela pourrait se révéler être un avantage intéressant si les drones étaient amenés à se démocratiser.


S’inspirer du vol des insectes pour des drones qui volent autrement


L’idée de s’inspirer du battement des ailes des animaux pour concevoir des machines volantes n’est pas nouvelle. En réalité, Léonard de Vinci avait déjà proposé des concepts d’ornithoptères et on peut même considérer, en extrapolant, que le mythe d’Icare dessinait les prémices du vol en battant des ailes. Les pionniers de l’aviation eux-même se sont d’abord inspirés des animaux volants avant de créer l’avion tel que nous le connaissons. Longtemps restée au stade de concept car trop lourd, trop fragile ou trop complexe, l’idée de voler en battant des ailes ressurgit ces dernières années dans le domaine des micro drones.


L’ONERA, le centre français de recherche aérospatiale, travaille notamment sur ce sujet depuis 2002 avec le projet Remanta, mené par Agnès Luc-Bouhali et inspiré des libellules. S’inspirer du battement d’aile des insectes pour concevoir des drones est extrêmement complexe, à la fois mécaniquement mais aussi au niveau du contrôle du mouvement. L’objectif du projet Remanta est d’étudier les différents phénomènes physiques impliqués dans le vol de la libellule, en particulier l’écoulement de l’air autour des ailes, pour permettre le développement de ce type de technologies à l’avenir.

Pour voir en image les résultats du projet Remanta n'hésitez pas à aller voir la vidéo de l’ONERA.


Et si l’érable inspirait les drones pour des missions d’observation ?


Même si ce nom ne vous dit rien, vous connaissez forcément les samares, ces fruits en forme d’aile qui abritent les graines de certains arbres, notamment l’érable. Sans doute vous êtes-vous également amusé à les regarder tournoyer en tombant étant enfant. Après différents concepts d'éoliennes inspirés de ces fruits, des chercheurs de l’université du Maryland en collaboration avec l’entreprise Lockheed Martin ont imité la samare dans un drone d’un genre nouveau : le Samarai Flyer.


Samare, fruit de l'érable

Doté d’une simple aile en rotation, ce type de drone est à la fois compact et peu cher à produire (on peut par exemple imprimer l’aile en 3D). Ces drones sont également relativement fiables grâce à leur faible nombre de pièces mécaniques. De plus, ils posent moins de problèmes de sécurité en cas de défaillance car, tout comme les samares, leur éventuelle chute est automatiquement ralentie grâce à leur forme.


Mais à quoi pourrait servir ce type de drone ? Et bien leur simplicité de fabrication et leur faible dangerosité les prédisposent naturellement à des missions de surveillance ou d’observation. En effet, ces drones peuvent être équipés d’une caméra synchronisée avec leur vitesse de rotation : à chaque tour la caméra capture une image, ce qui permet de compenser la rotation de l’ensemble de l’engin.



L’albatros, un modèle d’efficacité pour des drones plus autonomes


Un des problèmes rencontrés par les drones aujourd’hui est celui de l’autonomie. C’est là qu’intervient la comparaison avec les oiseaux migrateurs, obligés de voler sur des dizaines de milliers de kilomètres au-dessus de l’océan, donc sans se poser. L’albatros en particulier est actuellement étudié pour sa capacité à voler tout en économisant son énergie.

Pour ce faire, l’albatros emploie une stratégie très particulière : il plane à la surface de l’eau où le vent est moins fort, puis il utilise ce vent pour reprendre de la hauteur, plane en descendant jusqu’à la surface de l’eau, et ainsi de suite. En enchaînant ces zigzags, l’albatros est capable de planer pendant des kilomètres sans même battre des ailes, économisant au maximum son énergie pour parcourir en moyenne 800 km par jour ! Des recherches sont actuellement menées, notamment dans les laboratoires de l’ISAE Supaero, pour reproduire cette stratégie de vol dans des drones.


Les bancs de poissons peuvent-ils inspirer le sauvetage par drone ?


Enfin, le biomimétisme peut se montrer utile non pas seulement dans la conception de drones, mais également dans leur exploitation. En effet, avec le développement et la démocratisation de drones simples, fiables et peu coûteux, l’utilisation d’une flotte, c’est-à-dire d’un ensemble de drones plus ou moins conséquent, est une discipline en pleine émergence qui fait notamment appel à la notion d’intelligence collective.


En décembre 2020 par exemple, des chercheurs du MIT et de la King Saud University d’Arabie Saoudite ont publié un algorithme de pilotage d’une flotte de drones inspiré de la stratégie de recherche de nourriture des bancs de poisson. Cet algorithme a pour objectif de réduire le temps nécessaire à une flotte de drones pour retrouver des survivants, par exemple après un sinistre (séisme, tsunami, etc…).


L’idée est la suivante : dans un banc de poisson, certains individus cherchent de la nourriture, et d’autres se contentent de les suivre et de profiter de leurs trouvailles. Les bons chercheurs de nourriture sont de plus en plus suivis, tandis que les mauvais se font peu à peu abandonner jusqu’à devenir eux-mêmes des suiveurs. C’est ainsi que le banc peut trouver sa nourriture tout en maintenant sa cohésion. Les résultats obtenus par l’algorithme bio-inspiré montrent des performances meilleures que les autres méthodes, en particulier pour des flottes de taille réduite. L’algorithme est de plus peu gourmand en calcul ce qui en fait un outil facilement déployable, même sur des drones peu performants.



Bien sûr, difficile d’être exhaustif devant tous les projets de drones bio-inspirés qui sont menés chaque jour ! Néanmoins vous pouvez désormais constater la pertinence du biomimétisme dans ce domaine, tant au niveau mécanique qu’au niveau du contrôle et de l’automatisation. Vous pouvez également retrouver nos autres articles ici !