10.04.2014 | Sepios – le nouveau robot sous-marin de l‘ETH Zurich

Les océans sont pleins de secrets inexplorés et de créatures légendaires. Lorsqu’ils nous dévoilent leurs secrets, nous sommes souvent stupéfiés. La variété de la faune sous-marine est vraisemblablement infinie et influence les artistes, les médecins et les ingénieurs depuis toujours. Un exemple de comment les créatures marines inspirent la technique est le projet focus « Sepios » à l’ETH (Ecole Polytechnique Fédérale) de Zurich. Le projet des étudiants s’occupe du remarquable concept de propulsion des seiches et des calmars, qui appartiennent à la sous-classe des coléoïdes. Ces animaux ont deux nageoires latérales tout le long de leur corps caréné. Avec ces nageoires, les seiches exécutent des mouvements ondulés sous l’eau pour générer de la poussée. La forme de leur corps pratiquement symétrique leur permet de se mouvoir aussi aisément soit en avant qu’en arrière. En outre, ils sont à même de freiner très rapidement en pleine vitesse et d’accélérer immédiatement dans l’autre sens.

Fascinés de ce mécanisme moteur, neuf étudiants de génie mécanique et de génie électrique et électronique ont débuté avec leur projet bionique en été 2013 auprès de l’Autononmous Systems Lab (ASL) du Département de génie mécanique de l’ETH à Zurich. Le but est de développer et fabriquer un robot sous-marin propulsé par des nageoires. Les nageoires latérales inspirées des seiches, devraient permettre au robot de se déplacer omnidirectionnellement dans l’eau.

Le concept de propulsion des seiches est intéressant à différents points de vue techniques: il s’agit d’animaux prédateurs extrêmement efficaces capables de manœuvrer très précisément sous l’eau. Leurs nageoires génèrent des tourbillons dans l’eau, qui pourraient effrayer des proies potentielles. Cependant, les seiches sont à même de dévier ces tourbillons loin de leurs proies en mouvant agilement leurs nageoires. Une application idéale de ce concept serait par exemple la prise de films d’organismes marins, qui pourraient être effrayés voire blessés par un appareil propulsé par une hélice. La haute flexibilité, en outre, permet de naviguer à travers des tuyaux et interstices étroits, ce qui pourrait être intéressant lors de l’exploration d’épaves et caves sous-marines. Enfin, les nageoires latérales, par rapport aux concepts moteurs avec hélice traditionnels, ont moins la tendance à s’empêtrer dans les algues ou le varech. Enfin, on pourrait s’imaginer l’application de ce concept esthétiquement attrayant à des fins de loisir dans de grands aquariums. Là, le robot pourrait transmettre des images prises de près par exemple du fourrage des poissons sur un écran pour les visiteurs.

Malheureusement, toutes ces idées ne sont pas réalisables dans les deux semestres que dure le projet. De ce fait, les étudiants se concentrent sur la démonstration de la haute manœuvrabilité de ce genre de propulsion. Voilà pourquoi l’omnidirectionnalité du robot a été déclarée le but principal. Pour pouvoir garantir la réussite, le robot, au contraire de son idéal naturel, a été conçu avec quatre nageoires qui peuvent être mises en place et enlevées de façon modulaire. La phase dedéveloppement a été terminée juste avant Noël 2013. Au début du nouveau semestre printanier, on passe au montage et aux premiers tests de commande.

La carcasse du robot est constituée d’un cylindre en verre acrylique d’env. 60 cm de longueur et 12 cm de diamètre englobé d’un squelette en aluminium. Un grand nombre d’éléments de la carcasse se base sur un robot déjà existant développé aussi à l’ETH de Zurich. En regardant le couvercle de ce cylindre, on voit les quatre nageoires arrangées en forme d’étoile autour de la carcasse avec un angle de 90°. Elles s’étalent presque de la proue à la poupe. Les actionneurs des nageoires sont hébergés dans des boîtiers en aluminium. Chaque boîtier contient neuf servomoteurs et l’électronique nécessaire à leur opération. Dans le système sont donc incorporés 36 servomoteurs. Chacun d’eux est fixé à un arbre de transmission par le biais d’un accouplement qui est situé dans le boîtier en partie dans l’eau. A l’extérieur, le couple moteur est transmis sur un deuxième arbre parallèle à la carcasse à l’aide d’un engrenage à roues coniques. Sur chacun de ces arbres extérieurs, un bâtonnet pointu de 25 cm indique la direction dans l’eau. A la fin, ces bâtonnets seront revêtus d’une feuille élastique qui formera, ensemble avec les bâtonnets, la véritable nageoire. L’excitation d’un servomoteur engendre donc l’élongation d’un bâtonnet et du segment de la nageoire correspondant.

Pour le projet Sepios, l’étanchéité était un point essentiel. Les étudiants sont très reconnaissants pour le soutien qu’ils ont reçu de la part de Kubo Tech AG. D’une part, Kubo Tech AG a conseillé les étudiants dans le projet Sepios dans le domaine de la technique de l’étanchéité et, de l’autre, a fourni gratuitement les différents joints nécessaires.

Les éléments à étancher sont à différents endroits sur la carcasse. L’étanchéité doit être assurée statiquement étant donné que la carcasse contient l’ensemble de l’électronique de commande. Les couvercles sur la proue et la poupe sont étanchés par des joints toriques. La carcasse contient en outre une vessie natatoire composée d’un autre cylindre en verre acrylique de dimensions plus petite. Dans celui-ci, un piston nettoie la vessie natatoire et la vide pour obtenir les forces descensionnelles respectivement ascensionnelles. Sur ce piston, un autre joint torique est utilisé pour éviter que l’eau pénètre la vessie natatoire. A la proue, se trouve une sorte de hublot étanché par un joint d’étanchéité plat spécialement fabriqué à ce but. A l’avenir, une caméra est censée prendre des photos de l’environnement à travers ce hublot. Les connections sont intégrées dans le couvercle en poupe; à travers d’elles, les câbles d’approvisionnement passent de l’eau jusqu’aux boîtiers des nageoires. Cette construction modulaire permet de varier le nombre de nageoires entre une et quatre. Les boîtiers des servomoteurs contiennent un joint plat d’étanchéité statique chacun et aussi plusieurs joints à quatre lèvres dynamiques. Le joint plat est aussi une fabrication spéciale et se trouve sur le couvercle du boîtier. Les joints à quatre lèvres sont utilisés sur les arbres de transmission dans une gorge sur l’intersection entre l’intérieur sec et l’eau. Les vitesses de rotation ne dépassent presque jamais un Hertz et la différence de pression d’un bar peut aussi être considérée non critique.

Le robot sera testé principalement dans des piscines. Pour garantir que l’eau chlorée n’altère pas les joints, le choix du matériau pour les joints s’est porté sur le FPM Viton®. Après le montage fin février, les composants seront testés pour la première fois. Le 27 mai 2014 aura lieu le lancement dans la Halle principale de l’ETH à Zurich, lors de la présentation au public du projet Sepios.

Kubo Tech AG se réjouit de supporter ce projet et souhaite bonne réussite à l’équipe de projet!

Pour de plus amples informations sur le projet Sepios, cliquez ici.