L'avion amphibie développé par l'EPFL et le MIT s'inspire des animaux plongeurs : il décolle, plonge, refait surface et reprend son envol sans changer de système de propulsion.

Le franchissement de la frontière entre l'air et l'eau représente l'un des défis les plus complexes en robotique. Ces deux milieux possèdent des propriétés physiques profondément différentes : l'eau est environ mille fois plus dense que l'air et exige des stratégies de propulsion, de contrôle et de consommation d'énergie totalement différentes. C'est pourquoi les robots amphibies développés jusqu'à présent utilisent généralement des systèmes distincts pour le vol et la nage, ou doivent recourir à des hélices, des flotteurs ou des plateformes de lancement pour reprendre leur envol.

Un groupe de chercheurs de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a au contraire démontré qu'il est possible de prendre en compte les deux modes de locomotion avec une seule architecture mécanique. Le résultat est le Véhicule aérien-aquatique à ailes battantes (FAAV)un robot bio-inspiré capable de nager sous l'eau, de faire surface et de reprendre immédiatement son vol en battant simplement des ailes. L'étude a été publiée dans la revue scientifique Science.

Ce projet est né de l'observation d'un petit groupe d'oiseaux marins capables de se déplacer efficacement dans les deux milieux. Les plongeons, les goélands, les macareux et les pétrels utilisent les mêmes ailes pour générer la portance en vol et la propulsion en nageant, adaptant leurs mouvements aux caractéristiques du fluide dans lequel ils évoluent. Transposer cette capacité à un système robotique a nécessité des années d'étude de la biomécanique animale et de nombreux essais expérimentaux.

Le principal responsable de la recherche est Raphaël ZuffereyIl est aujourd'hui professeur assistant au MIT après une période de recherche à l'EPFL. Son objectif initial n'était pas tant de construire un nouveau drone amphibie que de comprendre les principes qui permettent aux oiseaux plongeurs de réussir une transition qui, d'un point de vue ingénierie, paraît extrêmement difficile.

Des ailes flexibles et une propulsion unique pour deux environnements opposés

Le FAAV pèse moins de 300 grammes Il se compose d'un fuselage central étanche, de deux ailes flexibles et d'une queue pivotante. À l'intérieur, on trouve une batterie et un moteur électrique étanche qui, par l'intermédiaire d'un vilebrequin, anime les ailes du mouvement oscillant nécessaire à la nage et au vol. Les membranes des ailes sont également recouvertes de nanoparticules hydrophobes, qui favorisent le détachement rapide de l'eau lors de l'émergence.

L'un des aspects les plus intéressants concerne la modularité du système. Les chercheurs ont créé trois configurations d'ailes différentes, avec des ouvertures de 60, 80 et 100 centimètres, afin de comprendre quelle combinaison offrait le meilleur compromis entre portance, poussée et manœuvrabilité. Les essais ont montré que la solution intermédiaire était la meilleure. 80 cm assure un comportement des plus équilibrés aussi bien dans l'eau que dans l'air.

La flexibilité des ailes s'est avérée tout aussi cruciale. Des structures trop rigides améliorent le vol mais augmentent la traînée hydrodynamique ; des ailes excessivement déformables facilitent la nage mais ne produisent pas une portance suffisante après la remontée à la surface. Un comportement optimal résulte donc d'un compromis très similaire à celui qui a évolué chez les oiseaux marins au cours de millions d'années.

Des tests ont été menés entre le bassin expérimental de l'université et le lac Léman.

Pour vérifier le fonctionnement du robot, le groupe a effectué une longue série de tests, d'abord dans un bassin expérimental, puis dans un bassin réel. lac de GenèveEn Suisse, lors de chaque essai, le véhicule était positionné à environ un demi-mètre de profondeur et programmé avec différentes fréquences de battement d'ailes et différentes inclinaisons de la queue. L'objectif était d'identifier les combinaisons permettant d'assurer une transition stable de l'eau à l'air sans perte de contrôle.

Les résultats ont montré que le robot peut nager à des vitesses proches de un mètre par seconde avec une fréquence d'environ cinq battements par seconde, tandis qu'en vol, il atteint environ six mètres par seconde tout en maintenant une fréquence similaire. Les performances sont étonnamment proches des valeurs observées chez les oiseaux plongeurs de taille comparable.

La phase la plus délicate est la traversée de la surface. Pour éviter que l'extrémité des ailes ne touche l'eau pendant le battement, le robot doit adopter une inclinaison d'environ Degrés 70Un angle trop faible empêche le décollage, tandis qu'un angle trop élevé augmente le risque d'amerrissage brutal. La combinaison de l'envergure, de la fréquence d'oscillation et de l'assiette de l'empennage crée donc un équilibre extrêmement précis qui permet au FAAV de passer d'un environnement à un autre sans interrompre le mouvement de ses ailes.

Le décollage est réussi sans l'aide des jambes ni de propulseurs séparés.

La combinaison identifiée par les chercheurs permet au FAAV d'effectuer la séquence complète sans hélices supplémentaires, flotteurs ou autres propulseurs. Après avoir nagé sous la surface, le véhicule s'oriente vers le haut grâce à sa queue motorisée, continue de battre des ailes et utilise la poussée accumulée pour remonter à la surface. Lorsque le fuselage émerge de l'eau, ce même mouvement génère la portance nécessaire pour poursuivre son vol.

La capacité à effectuer cette transition sans utiliser ses pattes distingue également le robot du comportement de nombreux oiseaux plongeurs. Plusieurs espèces, lorsqu'elles doivent reprendre de l'altitude, pagaient à la surface pour augmenter leur vitesse avant de décoller. Le prototype développé entre Lausanne e Cambridge Au lieu de cela, elle parvient à transformer directement le battement de cœur sous-marin en une manœuvre de décollage.

Raphaël Zufferey Il expliqua que l'absence même d'un appareil équivalent aux jambes était l'une des questions centrales de la recherche.

« Si l'on observe les oiseaux, la plupart doivent se propulser à la surface de l'eau avec leurs pattes pour décoller. La question était de savoir s'il était nécessaire de faire de même avec les robots, mais nous avons découvert que ce n'est pas le cas. Personne n'était encore parvenu à s'envoler hors de l'eau en utilisant ses ailes. »

Le résultat ne dépend pas d'un seul composant, mais de l'interaction entre eux. géométrie de l'aileL’élasticité de la membrane, la fréquence d’oscillation et l’assiette de l’empennage sont des paramètres essentiels. Une légère variation de l’un d’eux peut empêcher l’émergence ou rendre la transition vers le vol instable. Le FAAV fonctionne donc comme un système intégré, dont la mécanique doit s’adapter simultanément à la résistance hydrodynamique et aux exigences aérodynamiques.

La comparaison avec les animaux a également permis l'étude contrôlée de certains principes difficiles à isoler dans la nature. Les oiseaux modifient continuellement leur posture, leurs articulations et l'amplitude de leurs battements cardiaques ; le robot, au contraire,

Il permet de définir des valeurs précises et d'observer comment chaque choix influe sur la vitesse, la stabilité et la capacité à franchir la surface. Le prototype devient ainsi non seulement un moyen opérationnel possible, mais aussi un outil d'analyse. biomécanique de la locomotion des amphibiens.

Des icebergs aux ports, les missions déjà imaginées en mer

Les demandes examinées par le groupe concernent principalement lesexploration océanique et la collecte de données dans des zones difficiles d'accès ou dangereuses pour les navires traditionnels. Un véhicule léger pourrait être mis à l'eau depuis la côte ou un navire, se rendre rapidement par avion dans la zone à étudier, plonger pour effectuer une mesure ou prélever un échantillon, puis retourner à sa base en transportant les informations recueillies.

Exemples : icebergDans les infrastructures portuaires et les zones fréquentées par les cétacés, la possibilité d'alterner entre l'air et l'eau permettrait d'éviter d'avoir recours à deux moyens différents, l'un aérien et l'autre sous-marin, ou de devoir récupérer manuellement l'appareil après chaque plongée.

Zufferey a décrit une mission possible au cours de laquelle des océanographes, des biologistes marins et des communautés côtières lanceraient le robot depuis un bateau ou directement depuis le rivage.

« Notre vision est que le robot survole une zone d'intérêt — par exemple, un iceberg, une installation portuaire ou un banc de baleines —, plonge pour effectuer une mesure ou prélever un échantillon, puis revienne fournir les données à un coût bien inférieur à celui des méthodes traditionnelles. Il pourrait ensuite repartir pour une autre plongée. »

La référence aux coûts ne constitue pas encore une évaluation économique complète. La FAAV demeure une prototype expérimental Cette étude ne propose pas de comparaison opérationnelle avec les navires océanographiques, les véhicules sous-marins autonomes ou les drones commerciaux. L'avantage potentiel réside principalement dans la réduction des opérations de mise à l'eau et de récupération, ainsi que dans la capacité à parcourir des distances en vol qu'un petit véhicule sous-marin pourrait parcourir plus lentement.

Un poids inférieur à 300 grammes représente à la fois un atout et une contrainte. Un appareil aussi léger est facile à transporter et à déployer, mais sa capacité en batteries, instruments de mesure et récipients d'échantillons est limitée. Son utilisation scientifique nécessitera donc des capteurs compatibles avec le poids disponible et une protection efficace contre l'eau salée, les chocs et les vagues.

Les virements de bord, le vent et les eaux agitées constituent les prochains bancs d'essai.

L'équipe travaille actuellement à modifier les ailes pour contrôler les virages, en plus du mouvement vertical déjà testé. La configuration actuelle démontre la continuité entre la nage, la remontée à la surface et le vol, mais un véhicule destiné à des missions réelles devra pouvoir s'orienter avec précision, corriger sa trajectoire et réagir aux perturbations sans dépendre de conditions météorologiques calmes.

Les tests suivants porteront en fait sur des situations plus proches de celles rencontrées en haute mer : eaux agitéesDes turbulences lors de la sortie de l'eau et du vent pendant la phase aérienne peuvent constituer des obstacles. Des essais menés sur le lac Léman ont validé le principe de fonctionnement, mais des vagues irrégulières et des rafales peuvent modifier l'angle d'attaque du robot, provoquant le réhumidification des ailes ou déstabilisant la transition entre deux fluides.

Il reste également à déterminer la durée de fonctionnement du véhicule, la charge utile scientifique qu'il peut transporter et la fiabilité avec laquelle il peut effectuer de nombreuses transitions consécutives. Ces éléments distinguent la démonstration expérimentale d'une application océanographique concrète et devront être mesurés lors de campagnes plus vastes.

L'étude implique, outre l'EPFL et le MIT, des chercheurs de Collège indien du Nord-Ouest aux États-Unis. Ces travaux ont été financés en partie par une subvention de la Marie Sklodowska-Curie Actions et à partir Fondation nationale suisse de la scienceLa publication sur Science Il documente avant tout une prouesse mécanique : un appareil à aile unique peut produire la poussée nécessaire sous l'eau et la portance requise dans l'air, sans interrompre le mouvement lors de la remontée à la surface.

Avant que cette architecture ne devienne un outil standard pour les océanographes et les biologistes marins, il faudra des systèmes de guidage plus complets, une meilleure résistance aux conditions environnementales et une capacité d'emport compatible avec les mesures et les prélèvements. Cependant, le FAAV a clarifié le principe de base : pour se déplacer entre la mer et le ciel, il n'est pas indispensable de combiner deux véhicules différents, pourvu que les ailes, l'empennage et le système de contrôle d'attitude soient conçus pour fonctionner dans les deux environnements.

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