Alors qu’Internet se remplit rapidement de vidéos virales de robots futuristes se précipitant et courant comme les animaux qu’ils sont conçus pour imiter, les chercheurs de Duke affirment qu’il y a un élément de la programmation de leur mouvement qui ne doit pas être négligé : le rythme.
Lorsqu’on analyse les pattes, les ailes et les nageoires des robots ou des animaux en mouvement dans le monde réel, les mathématiques semblent assez simples. Les membres avec plusieurs sections de différentes longueurs créent différents rapports de levier, les corps avec des formes et des tailles alternatives créent des coefficients de traînée et des centres de masse, et les pieds, ailes ou nageoires de différentes formes et tailles poussent sur le monde qui les entoure.
Toutes ces options créent davantage de degrés de liberté dans la conception finale. Mais jusqu’à présent, disent les chercheurs, personne ne prêtait beaucoup d’attention au moment où ils travaillaient tous ensemble.
« Minimiser la quantité de travail effectué en faisant varier la vitesse du moteur est une idée qui existe depuis longtemps », a déclaré Adrian Bejan, professeur émérite JA Jones de génie mécanique à Duke. « Mais varier le rythme de ce mouvement – la musique de la façon dont les pièces se déplacent au fil du temps – est un aspect de conception qui a été négligé, même s’il peut améliorer les performances. »
Le raisonnement et les mathématiques explorant cette thèse étaient publié dans Rapports scientifiques.
Pour illustrer son propos dans son article, Bejan cite des nageurs naturels tels que des grenouilles ou des humains pratiquant la brasse. Leur porte de nage est caractérisée par trois intervalles de temps : une période lente de poussée vers l’avant, une période rapide de poussée vers l’arrière et une période statique de roue libre. Pour des performances optimales, la durée de ces intervalles est généralement longue, rapide, longue. Mais dans certaines situations – distancer ou déjouer un prédateur, par exemple – les ratios de ces périodes changent radicalement.
Dans la conception de robots conçus pour imiter des chiens, des poissons ou des oiseaux, l’intégration de rythmes différents dans leurs mouvements de croisière standard peut rendre leurs opérations normales plus efficaces. Et ces rythmes optimaux affecteront à leur tour les choix faits pour toutes les autres pièces de la conception globale.
Ces travaux s’appuient sur les recherches publiées par Bejan il y a près de 20 ans, dans lesquelles il a démontré que la taille et la vitesse vont de pair dans l’ensemble du règne animal, que ce soit sur terre, dans les airs ou sous l’eau. La physique sous-jacente à ce travail traitait de la chute répétée du poids d’un animal d’une hauteur donnée. Dans cet article, Bejan montre que ses travaux antérieurs étaient incomplets et que tous les animaux, robots et autres objets en mouvement peuvent optimiser davantage leur mécanique en ajoutant un élément de rythme.
« Vous pouvez – et vous devriez effectivement – enseigner les rythmes des mouvements aux nageurs et aux coureurs de compétition à la recherche d’un avantage », a déclaré Bejan. « Le rythme augmente le nombre de boutons que vous pouvez actionner lorsque vous essayez de vous déplacer dans le monde. C’est encore un autre exemple de la façon dont un bon design, qu’il soit réalisé par des humains ou par l’évolution naturelle, est véritablement une forme d’art. »
Plus d’information:
A. Bejan et al, Le rythme de la locomotion fait la puissance et la vitesse, Rapports scientifiques (2023). DOI : 10.1038/s41598-023-41023-6