Un robot de 80 cm et 2,8 kg, inspiré de la larve de poisson-zèbre, a consommé moins d'énergie à toutes les vitesses qu'il pouvait atteindre lorsqu'il alternait des impulsions de queue et des glissades passives, par rapport à un battement de queue continu. Ce résultat provient des essais de ZBot, un robot nageur intermittent conçu par des chercheurs de l'EPFL en Suisse, de l'université Duke aux États-Unis et de l'Instituto Superior Técnico au Portugal.
Le constat est valable aussi bien à nombre de Reynolds élevé qu'à nombre de Reynolds faible. Le prix à payer est la vitesse : la vitesse maximale en nage par impulsions et glissades représentait environ 60 % de celle obtenue avec un battement de queue continu.
Un poisson-zèbre agrandi 200 fois
ZBot est une larve de poisson-zèbre agrandie 200 fois. Il reproduit la forme du corps de l'animal, sa structure segmentée et la répartition de son centre de masse. Sa queue compte six segments, chacun actionné par un servomoteur, afin de reproduire l'ondulation du poisson.
La tête abrite un contrôleur central qui joue le rôle de système nerveux du robot, des caméras haute précision et des wattmètres temps réel. Ces wattmètres permettent à l'équipe de mesurer directement la consommation d'énergie pour chaque allure de nage. ZBot dispose aussi d'interfaces de capteurs extensibles qui, selon l'équipe, facilitent les travaux sur le traitement visuo-moteur et le système vestibulaire.
L'allure étudiée s'appelle la nage par impulsions et glissades (« bout-and-glide »). L'animal ondule du corps et de la queue pour une brève poussée, puis adopte une posture droite et profilée et se laisse porter. Ce comportement s'observe chez la larve de poisson-zèbre, le tétra nez rouge, la carpe koï et les baleines.
Un modèle neuronal pilote l'allure
Les chercheurs de l'EPFL et de Duke ont construit un modèle neuro-computationnel des circuits du poisson-zèbre pour commander le robot. Il comprend trois éléments principaux. Des générateurs de rythme central produisent des signaux rythmiques continus qui créent l'ondulation de base de la nage. Une porte d'impulsion recueille les entrées via un intégrateur à fuite et ne déclenche le mouvement de queue que lorsque le signal accumulé atteint un seuil fixe. Des neurones de projection spinaux ventraux simulés ajustent l'angle de déflexion de la queue, ce qui permet de diriger le robot.
C'est la porte d'impulsion qui produit l'alternance entre phases actives et glissades passives. En modifiant la fréquence et l'amplitude d'oscillation de la queue ainsi que le seuil de la porte, l'équipe a reproduit plusieurs allures de la larve de poisson-zèbre avec ZBot : nages lentes en ligne droite, virages courants et virages en J.
L'équipe a ensuite étendu le modèle en un cadre de bout en bout pour la réponse optomotrice, la réaction du poisson au mouvement guidée par la vision. Ce cadre convertit les entrées rétiniennes en sorties motrices. Il a reproduit la réponse chez ZBot ainsi que dans un jumeau numérique appelé simZFish.
Des fluides plus épais pour éprouver le résultat
Les poissons de tailles différentes nagent dans des régimes d'écoulement différents. Les baleines évoluent à des nombres de Reynolds élevés, où l'inertie domine. Les larves de poisson-zèbre nagent dans un régime intermédiaire, où la traînée visqueuse est plus forte. L'équipe a fait varier la viscosité du fluide pour imiter des animaux de tailles différentes, en mélangeant de l'eau à du sel de sodium de carboxyméthylcellulose.
Trois fluides ont été utilisés. L'eau pure présente une viscosité de 1 cP et un nombre de Reynolds compris entre 64 000 et 160 000. Un fluide modérément visqueux de 213,9 cP, comparable à un nappage de fruits en sirop, a donné une plage de 37,4 à 448,8. Un fluide très visqueux de 457,0 cP, comparable à une huile démaquillante classique, a donné une plage de 1,0 à 87,5, proche du régime d'écoulement visqueux.
Un fluide plus épais a fortement réduit le déplacement de ZBot : dans le fluide le plus visqueux, la distance parcourue n'était que d'un trentième de celle obtenue dans l'eau. Les virages ont été bien moins affectés. L'angle de virage par impulsion était d'environ 60 degrés dans l'eau et de 45 degrés dans le fluide le plus visqueux.
Pourquoi cette allure économise l'énergie
L'explication la plus courante est hydrodynamique : la posture droite pendant la glissade réduit la traînée, donc les pertes d'énergie. L'équipe a testé une seconde hypothèse, celle du rendement de l'actionneur. Selon elle, la nage par impulsions et glissades améliore la conversion de l'énergie électrique (ou de l'énergie chimique chez un poisson) en mouvement de queue.
Cet argument repose sur la courbe de rendement de l'actionneur. Les servomoteurs comme les muscles de poisson suivent une courbe en U inversé et convertissent l'énergie de manière optimale sous une charge modérée. À faible vitesse de nage, le battement de queue continu maintient les actionneurs en sous-charge, donc peu efficaces. Dans un cycle d'impulsion et de glissade, la brève poussée maintient les moteurs dans leur plage de charge efficace, et la glissade évite un fonctionnement inefficace. L'équipe indique que ce cycle améliore le rendement global de conversion.
Ce que cela change pour le secteur
L'enseignement pratique est une stratégie de commande plutôt qu'un nouveau mécanisme. Les robots sous-marins qui naviguent à vitesse faible ou moyenne pourraient adopter la nage par impulsions et glissades, puis passer à un entraînement continu lorsqu'ils ont besoin de vitesse pour une manœuvre d'urgence. Le plafond de vitesse mesuré à 60 % rend ce compromis concret. Un engin qui exige la vitesse maximale ne peut pas s'appuyer uniquement sur l'allure intermittente.
Pour les ingénieurs, l'explication par l'actionneur est l'affirmation la plus lourde de conséquences. Si une partie de l'économie vient du maintien des moteurs dans leur plage de charge efficace, le bénéfice ne dépend pas seulement de la traînée de la coque. Il devrait alors s'appliquer à d'autres robots à servomoteurs fonctionnant à faible charge. L'explication par la traînée ne se transposerait pas de la même manière. Les essais de l'équipe à différentes viscosités, qui ont montré l'économie à nombre de Reynolds élevé comme faible, appuient l'idée que l'effet n'est pas lié à un seul régime d'écoulement.
Ces travaux ont aussi un second usage. Comme ZBot exécute un modèle de vrais circuits de poisson-zèbre et reproduit de vraies allures, les biologistes peuvent modifier un paramètre et mesurer directement le coût énergétique. Certaines questions passent ainsi de l'observation à l'étude des relations de cause à effet.
Plusieurs points restent à démontrer. L'ampleur de l'économie d'énergie n'est pas chiffrée, de sorte que le gain pratique pour l'autonomie d'un engin ne peut pas encore être évalué. Le mécanisme de l'actionneur est démontré sur des servomoteurs, et l'affirmation selon laquelle le muscle de poisson suit la même courbe en U inversé relève ici de l'analogie, non d'une mesure sur des poissons. Les essais ont porté sur un seul modèle de robot dans des fluides contrôlés. Rien ne prouve que la même économie vaille en pleine eau, en présence de courants, ou sur des engins dotés d'autres systèmes de propulsion. Le schéma de changement d'allure proposé pour les engins sous-marins est une recommandation, non un résultat testé.