À première vue, le macareux semble être un oiseau marin assez maladroit. Avec son décollage paraît laborieux, son vol frénétique… ce n’est pas le plus majestueux ni performants des volatiles. Pourtant, sous la surface, il devient un nageur hors pair. Avec les mêmes ailes qui le portent dans les airs, il poursuit des poissons jusqu'à plusieurs dizaines de mètres de profondeur avant de jaillir hors de l'eau et reprendre son vol comme si de rien n'était.
Pour les ingénieurs, cette double vie constitue un casse-tête mécanique. Car passer de l'air à l'eau, puis de l'eau à l'air, revient à évoluer entre deux mondes aux lois physiques radicalement différentes. L'eau est près de mille fois plus dense que l'air. Une aile capable de voler efficacement devient rapidement un handicap sous la surface. À l'inverse, une nageoire performante ne permet généralement pas de décoller. C'est précisément ce défi qu'ont voulu relever des chercheurs du MIT et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Leur prototype, présenté dans la revue Science, est l'un des premiers robots capables de nager sous l'eau puis de s'extraire de la surface en battant simplement des ailes avant de poursuivre son vol.
Copier la nature… sans la reproduire à l'identique
Le robot, baptisé FAAV (Flapping-wing Aerial-Aquatic Vehicle), pèse moins de 300 grammes. Son architecture est volontairement simple : un fuselage renfermant batterie et moteur électrique, deux ailes souples recouvertes d'un revêtement hydrophobe qui évacue rapidement l'eau, et une queue orientable permettant de contrôler son assiette aussi bien en vol qu'en plongée.
Avant même de construire leur prototype, les chercheurs ont passé en revue les travaux consacrés aux oiseaux plongeurs. Macareux, pétrels, plongeons ou encore martins-pêcheurs utilisent des stratégies différentes, mais tous exploitent un même principe : leurs ailes doivent produire suffisamment de portance dans l'air tout en restant efficaces dans un milieu beaucoup plus dense.
Les ingénieurs ont ainsi testé plusieurs tailles d'ailes, différents degrés de souplesse ainsi que diverses fréquences de battement. Les essais, réalisés dans un bassin puis sur le lac Léman, ont permis d'identifier la combinaison la plus efficace pour assurer les trois phases du déplacement que sont la nage, le franchissement de la surface puis le vol.
Une sortie de l'eau sans "prendre son élan"
Le moment le plus délicat est celui où le robot quitte l'eau. La résistance exercée par la surface freine brutalement les ailes au moment où elles doivent produire suffisamment de portance pour décoller.
Les chercheurs ont découvert qu'un angle d'environ 70 degrés permettait au robot de sortir proprement de l'eau tout en évitant que les extrémités des ailes ne heurtent la surface. Avec des ailes de taille intermédiaire, il nage à près d'un mètre par seconde et vole ensuite à environ six mètres par seconde, des performances comparables à celles observées chez plusieurs oiseaux plongeurs de petite taille.
L'une des surprises de l'étude concerne justement le décollage. Les macareux, les canards ou les plongeons utilisent généralement leurs pattes pour "courir" sur l'eau avant de reprendre leur envol. Le robot, lui, n'en a pas besoin. Les chercheurs montrent ainsi qu'en robotique, une bonne combinaison entre la taille des ailes, leur souplesse et leur fréquence de battement suffit à assurer la transition entre les deux milieux.
Un futur éclaireur des océans
Au-delà de la prouesse technique, les chercheurs voient dans ce robot un futur outil scientifique. Aujourd'hui, les océanographes doivent souvent mobiliser des navires coûteux, des drones aériens ou des véhicules sous-marins autonomes, chacun étant limité à un seul environnement.
Un robot capable de passer librement de l'air à l'eau pourrait rejoindre rapidement une zone d'étude, plonger pour mesurer la température, la salinité ou certains paramètres chimiques, prélever un échantillon, puis revenir transmettre ses données avant de repartir presque aussitôt. Les chercheurs imaginent déjà des missions autour des glaciers, dans les ports, au-dessus de bancs de baleines ou dans d'autres zones difficiles d'accès pour les navires traditionnels.
Le prototype n'en est encore qu'à ses débuts. L'équipe travaille désormais sur des ailes capables de pivoter en plus de battre, et souhaite tester le robot dans des conditions plus réalistes, avec des vagues de taille variable et du vent plus ou moins fort. Mais cette démonstration montre déjà que le biomimétisme ne consiste pas seulement à copier les animaux. En comprenant les compromis que l'évolution a mis des millions d'années à élaborer, les ingénieurs ouvrent la voie à une nouvelle génération de drones capables d'explorer les océans avec la même aisance que les oiseaux qui les survolent.
