Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Dans l'optique de réaliser de la surveillance intra-bâtiment avec un système autonome, mobile, très discret, des recherches sont en cours pour développer des nanodrones. Elles se concentrent sur la compréhension et l'imitation du vol battu des insectes et sur les aspects de la miniaturisation. Cet article décrit la conception et la réalisation d'un insecte artificiel à ailes résonantes à l'aide des technologies de microfabrication de la microélectronique. Un actionneur électromagnétique induit un mouvement de flexion/torsion des ailes correspondant à une cinématique similaire à celle des insectes. L'estimation des phénomènes aéroélastiques en grands déplacements est réalisée à l'aide d'un modèle basé sur les éléments finis et une formulation analytique de l'aérodynamique. Une validation expérimentale est ensuite proposée.
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To achieve intra-building surveillance with autonomous, mobile and very discreet system, research is underway to develop nano air vehicles (or nano drones). It focuses on the understanding and imitation of flapping flight of insects and on miniaturization. This article describes the design and micro-fabrication of an artificial insect with resonant wings using microelectronics technologies. An electromagnetic actuator induces a bending / twisting motion of the wings corresponding to insect-like kinematics. Aero-elastic phenomena in large displacements are estimated using a model based on the finite elements method and on an analytical formulation of aerodynamics. An experimental validation is then proposed.
Auteur(s)
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Thomas VANNESTE : Ingénieur, Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520), France
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Alexandre BONTEMPS : Ingénieur Sensefly, Cheseaux-Lausanne, Suisse
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Caroline SOYER : Maître de conférences à l'université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis, Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520), France
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Jean-Bernard PAQUET : Ingénieur de recherche à l'Office national d'étude et de recherche aérospatiale, Lille, France
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Olivier THOMAS : Professeur des universités au Campus de Lille d'Arts et Métiers ParisTech et au Laboratoire des sciences de l'information et des systèmes (LSIS, UMR CNRS 7296), France
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Eric CATTAN : Professeur à l'université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis, Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520), France
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Sébastien GRONDEL : Professeur à l'École nationale supérieure d'ingénieurs en informatique, automatique, mécanique, énergétique, électronique (ENSIAME), Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520), France
INTRODUCTION
Domaine : Nanodrone
Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : Techniques de microfabrication utilisées pour réaliser des microsystèmes
Domaines d'application : Surveillance militaire ou civile intra-bâtiment
Autres acteurs dans le monde : Université de Harvard, Microrobotics Laboratory Prof. Robert Wood
Contact : [email protected]
L'expertise technique et scientifique de référence
DOI (Digital Object Identifier)
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Défis scientifiques et technologiques2. De l'insecte volant aux nanodrones
2.1 Microcosmos, les insectes volants
La nature, on le sait, est une formidable source d'inspiration et d'innovation quasi illimitée. Elle est en effet constituée d'un éventail d'espèces animales offrant des moyens de locomotion terrestres, sous-marins et aériens prometteurs, aussi les recherches sur les systèmes bio-inspirés ont fait l'objet de beaucoup d'attention au cours de la dernière décennie. Lorsque l'on s'intéresse aux insectes, on ne peut être qu'admiratif devant leur évolution depuis l'ère paléolithique, leur grande diversité et leur performance en vol. En effet, ils démontrent des capacités aériennes impressionnantes : effectuer un vol stationnaire, enclencher des accélérations fulgurantes, effectuer un vol à reculons, ou tout simplement se déplacer à des vitesses pouvant avoisiner les 60 km · h–1. Leur pluralité apporte de multiples solutions pour concevoir des nanodrones. Parmi l'ensemble de ces familles, on peut citer par exemple quatre ordres d'insectes communs représentatifs de la grande variété anatomique d'ailes : les lépidoptères (papillons, figure 1 a), qui se caractérisent par deux paires d'ailes membraneuses recouvertes d'écailles colorées, les anisoptères (libellules, figure 1 b), constitués de deux paires d'ailes durcies déployées au repos, les hyménoptères (abeilles, guêpes, bourdons, figure 1 c), possédant deux paires d'ailes couplées, et les diptères (mouches, moustiques, figure 1 d), qui ne possèdent qu'une paire d'ailes fonctionnelle.
Ces ailes disposent d'une répartition de rigidité variée aussi bien au sein de leur structure que d'une espèce à l'autre. En outre, elles possèdent généralement une grande souplesse qui semble indispensable à la qualité de leur vol. Cette dernière leur sert également à mieux résister aux conditions climatiques (gouttes d'eau, vent...). Nous ne nous étendrons pas ici sur l'ensemble des capteurs sensoriels (haltères, poils...) dont disposent les insectes volants qui génèrent les sens usuels tels que la vue, l'odorat, le goût mais aussi l'ouïe et des informations équivalentes à celles d'un gyroscope. Ces récepteurs sont localisés sur des poils, dans des cryptes ou des pores.
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De l'insecte volant aux nanodrones
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GRASMEYER (J.), KEENNON (M.) - Development of the black widow micro air vehicle. - 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reno, NV, États-Unis, p. 1-9 (2001).
-
(2) - * - ProxDynamics http://www.proxdynamics.com/products/ Dernière consultation : 16/05/2015
-
(3) - BRUGGEMAN (B.) - Improving flight performance of DelFly II in hover by improving wing design and driving mechanism. - Delft Univ. Technol. M. Sc. thesis (2010).
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(4) - * - AeroVironement Inc. http://www.avinc.com/ Dernière consultation : 16/05/2015
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(5) - CHIRARATTANANON (P.), MA (K.Y.), WOOD (R.J.) - Adaptive control of a millimeter-scale flapping-wing robot. - Bioinspir. Biomim., 9, 025004 (2014).
-
(6) - KARPELSON (M.), WOOD (R.J.) - A review of actuation...
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