Les capacités d’atterrissage des geckos pourraient être utilisées dans la robotique

Les chercheurs de l’Université de Californie, Berkeley et de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents à Stuttgart, en Allemagne, ont démontré comment les geckos utilisent leur queue pour manœuvrer en plein air. Cette capacité leur permet de se corriger lorsqu’ils tombent après avoir perdu leur prise, et elle peut également les aider à se propulser à la surface d’un étang.

Les résultats seront publiés cette semaine dans le journal Nature Communications Biology .

Ces techniques sont très utiles en robotique, et elles sont déjà mises en œuvre dans des robots similaires à des geckos.

Découvertes surprenantes sur les geckos

Robert Full est professeur de biologie intégrative à l’UC Berkeley, et Adria Jusufi est membre du corps professoral de l’École de recherche Max Planck pour les systèmes intelligents et ancien étudiant doctoral de l’UC Berkeley. Les deux ont fait une découverte importante et surprenante : les geckos utilisent également leur queue pour aider à récupérer lorsqu’ils tombent la tête la première dans un arbre.

Les chutes la tête la première sont assez courantes chez les geckos, et Jusufi a documenté cela à l’aide de caméras à haute vitesse.

“Observer les geckos depuis une hauteur dans la canopée de la forêt tropicale a été révélateur. Avant de prendre leur envol, ils bougent la tête de haut en bas et de côté à côté pour voir la cible d’atterrissage avant de sauter, comme s’ils estimaient la distance de voyage”, a déclaré Jusufi.

Les vidéos montrent que le gecko, dans ce cas le gecko à queue plate d’Asie, agrippe le tronc avec ses orteils griffus et garnis de coussinets lorsqu’il entre en collision avec l’arbre. Cela aide sa tête et ses épaules à rebondir, et le gecko a un levier pour appuyer sa queue contre le tronc, ce qui l’empêche de tomber à la renverse.

“Loin de stagner, certaines de ces lézards sont encore en accélération lors de l’impact”, a déclaré Jusufi. “Ils tombent la tête la première, basculent la tête par-dessus les talons à un angle extrême par rapport à la verticale – ils ressemblent à un chevalet qui s’éloigne de l’arbre – ancrés uniquement par leurs pattes arrière et leur queue tandis qu’ils dissipent l’énergie d’impact. Avec le réflexe d’arrêt de chute se produisant si rapidement, seule la vidéo au ralenti peut révéler le mécanisme sous-jacent.”

Selon les scientifiques, d’autres petits animaux sauteurs légers comme les lézards pourraient également utiliser ces techniques.

“Ils peuvent avoir des glissades plus longues qui sont plus des glissades d’équilibre, et ils atterrissent différemment, mais, par exemple, s’ils essaient de s’échapper, ils choisissent de faire ce type de comportement, en partie parce que la taille compte”, a déclaré Full. “Lorsque vous êtes si petit, vous avez des options qui ne sont pas des solutions pour les grandes choses. Donc, c’est une solution médiatisée par le corps que vous n’avez pas si vous êtes plus grand.”

Des structures similaires à la queue des geckos pourraient être utilisées pour aider à stabiliser les robots volants comme les drones, les aidant à atterrir sur des surfaces verticales.

Les chercheurs sont les premiers à documenter, à modéliser mathématiquement et à reproduire ce comportement dans un robot souple.

“Les exaptations sont des structures qui ont été cooptées pour de nombreux comportements, peu importe à quoi cette structure a évolué à l’origine, et voici une qui vous ne vous attendiez pas”, a déclaré Full. “Vous pouvez voir comment cette capacité incroyable d’être robuste peut permettre ces exaptations.”

“Jusqu’à récemment, les queues n’avaient pas reçu autant d’attention que les pattes ou les ailes, mais les gens réalisent maintenant qu’ils devraient penser à ces animaux comme étant à cinq pattes, d’une certaine manière – pentapodes”, a déclaré Jusufi.

Selon Full, les ingénieurs en robotique ajoutent de plus en plus de fonctions aux robots, et ils apprennent qu’ils peuvent introduire une nouvelle pièce pour chaque capacité.

“À mesure que nous évoluons nos robots et nos systèmes physiques, les ingénieurs veulent faire de plus en plus de choses. Et devinez quoi ? À un moment donné, vous ne pouvez pas optimiser un robot pour tout”, a-t-il déclaré. “Vous devez utiliser des choses pour d’autres comportements afin d’obtenir ces comportements.”

https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

Construire le robot

Les chercheurs ont construit un robot avec une queue après avoir créé ses pièces à l’aide d’un imprimante 3D Carbon M2, spécifiquement conçue pour les structures souples. Les pieds étaient équipés de velcro pour qu’il puisse adhérer au contact, et la queue avait un mécanisme qui la faisait presser vers le bas lorsque les pattes avant touchaient une surface et glissaient.

Le robot à queue a démontré un succès similaire lors d’atterrissages difficiles. Dans la nature, les geckos à queue atterrissent avec succès sur des surfaces verticales sans tomber 87 % du temps. Les robots sans queue ont démontré une capacité à atterrir avec succès 15 % du temps lors des essais, mais le nouveau robot à queue a pu atterrir 55 % du temps lors des essais.

Les chercheurs ont également constaté que les robots avec des queues de la moitié de la longueur de la tête et du corps combinés étaient presque aussi réussis que les queues plus longues qui étaient de la longueur du museau-ventre. Ils ont également constaté que les robots à queue courte nécessitaient deux fois la force de pied pour rester attachés à l’arbre.

L’équipe continuera à étudier les geckos et à rechercher de nouveaux principes à appliquer aux robots, en particulier les robots souples sur des surfaces verticales.

“L’évolution n’est pas une question d’optimalité et de perfection, mais plutôt de suffisance. La solution juste suffisante joue vraiment un rôle pour vous donner une largeur de capacités afin que vous soyez beaucoup plus robuste dans des environnements difficiles”, a déclaré Full. “L’évolution ressemble plus à un bricoleur qui ne sait jamais vraiment ce qu’il produira et utilise tout ce qui est à sa disposition pour faire quelque chose qui fonctionne.”

“Les petits animaux arboricoles sans adaptations morphologiques évidentes pour le vol sont de plus en plus trouvés pour exposer une capacité de manœuvring en plein air surprenante. Les modèles physiques de robots souples peuvent aider à déchiffrer le contrôle de ces solutions mécaniquement médiatisées pour l’atterrissage”, a déclaré Jusufi.