Le drone insecte fait partie de la famille des aéronefs autonomes au même titre que les drone à hélice et ceux à propulsion. Comme ses frères à hélices, il s'agit d'un nano drone, c'est-à-dire que son envergure est inférieur à 0.7m et son poids inférieur à 5kg. Cependant, sa grande différence avec les autres drones est sa manière de voler, car tout comme son nom l'indique le drone suit le même fonctionnement de vol que les insectes ou encore certains oiseaux tels que le colibri. Ce drone peut être contrôlé à distance et éviter les obstacles en battant des ailes. Nous verrons tout d'abord comment vole un insecte pour voir ensuite comment les scientifiques ont repris ce concept pour faire voler leurs drones. Puis dans un second temps nous étudierons le cas des Robobee afin de voir quels sont les projets qui nécessiteraient l’emploi les drones insectes.

Les scientifiques s’inspirent de la nature pour créer de nouvelles technologies. C’est ainsi que Léonard de Vinci, le génial inventeur du XVème siècle, créa le croquis d'une machine volante, l'ornithoptère, inspiré de l'étude sur le vol et l'anatomie des oiseaux.

De même, Eole, le premier avion qui est resté plus de 5 secondes suspendu dans les airs a été créé par Clément Ader qui imita les ailes d'une chauve-souris. Cette technique est appelé dans le milieu scientifique le biomimétisme, soit le fait d'aller chercher dans la nature une solution aux problèmes techniques.

Pour les drones insectes, les chercheurs ont travaillé sur le vol des insectes pour plusieurs raisons : à l’inverse de la plupart des oiseaux, les insectes volants peuvent réaliser des vols stationnaires parfaits et reculer. De plus, ils peuvent soulever l’équivalent de leur poids ! Le vol des insectes a été pendant longtemps un mystère aux yeux des scientifiques car il est impossible qu’un insecte vole selon les lois de la physique.

En effet, les insectes possèdent souvent 4 ailes qu'ils battent généralement d'avant en arrière et non pas de haut en bas. Donc l'inclinaison des ailes donne un angle d'attaque très élevé (des angles d'environ 25 à 45°). Un avion qui aurait de pareils angles d'attaque décrocherait car une trop forte inclinaison engendrerait des turbulences qui détruisent la portance.

Conclusion : vu comme ils s’y prennent, les insectes ne devraient pas arriver à voler. Et pourtant ils y arrivent. Et très étonnamment ils y arrivent grâce au décrochage.

Ces décrochages ont un effet secondaire très intéressant pour les insectes, le décrochage retardé. En fait, grâce à leur échelle et à la fréquence du battement de leurs ailes, le décrochage n’a pas le temps de se produire complètement et ainsi leur permettre de voler.

En effet, la première phase du décrochage est la dépression transitoire, un bonus de portance ou un mini vortex qui aspire l’aile vers le haut pendant un court instant. Et l’insecte réussit à couper le décrochage juste après cette dépression transitoire et à additionner ces bonus de portance sans décrocher complètement.

L'échelle de la fréquence de battement des insectes ayant des muscles de vol synchrones est typiquement de l'ordre de 5 à 200 Hz. Chez les insectes pourvus de muscles de vol asynchrones, cette fréquence peut excéder 1 000 Hz. Quand l'insecte vole sur place, les deux battements sont de même durée. Un battement vers le bas plus lent, cependant, fournit de la poussée.

Nous pouvons remarquer qu'à chaque extrémité de la trajectoire, ils effectuent une rotation de leurs ailes, comme le montre le petit schéma ci-dessous :

La rotation des ailes et la balance avant-arrière permet à l’insecte de créer de la portance en plus et de recycler ses propres turbulences.

Avec tout ces éléments, l'insecte peut voler d'avant en arrière et de haut en bas et même faire des vols stationnaires.

Le défi pour les chercheurs était de reproduire la déformation musculaire des insectes lors des battements d'ailes mais aussi la constitution des ailes. Heureusement, grâce aux microscopes et aux caméras rapides, il est assez facile d’observer un insecte pour recréer un modèle de grande taille, qui reproduit précisément son anatomie et les mouvements de ses ailes.

Les phénomènes aérodynamiques en jeu peuvent être calculés grâce au nombre de Reynolds. En effet, ce nombre de Reynolds permet de connaître l'écoulement des fluides. Plus le nombre de Reynolds est élevé, plus l’écoulement est turbulent. Pour un avion, il est de l’ordre de quelques millions, alors que pour un insecte il sera plutôt autour de 1000. Du point de vue de la mécanique des fluides, ce sont deux situations très différentes. Donc les scientifiques devaient faire correspondre le nombre de Reynolds de l'insecte à celui du drone ou de la maquette. Le nombre de Reynolds représente le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses.

Il se définit ainsi :

avec :

V - vitesse caractéristique du fluide [m/s]

L - dimension caractéristique [m]

v - viscosité cinématique du fluide [m2/s]

Si la maquette est beaucoup plus grosse que l’insecte, il faut diminuer la vitesse et/ou augmenter la viscosité pour que l’expérience soit représentative. C’est ainsi que l’équipe de Michael Dickinson à Berkeley a créé Robofly : une maquette de 60 cm d’envergure, mais battant des ailes bien trop lentement (toutes les 5 secondes) et baignant dans de l’huile très visqueuse. C’est grâce à la réduction de la vitesse des ailes et l’augmentation de la viscosité du fluide qu’ils ont pu produire une maquette représentative du vol des insectes (c’est-à-dire à nombre de Reynolds comparable), et comprendre ainsi les phénomènes en jeu.

Grâce à tous ces principes aérodynamiques et ce nombre de Reynolds, les ingénieurs arrivent donc à mettre en place des micros robots volants, les drones insectes.