Les chercheurs ont développé des prototypes de robots insectes équipés de capteurs qui peuvent imiter les systèmes digestifs biologiques pour leurs besoins énergétiques et se déplacer sur l'eau comme des marcheurs aquatiques. En 2017, la DARPA a proposé un plan visant à développer et à déployer des milliers de capteurs flottants visant à collecter « des données environnementales telles que la température des océans, l'état et la localisation de la mer, ainsi que des données sur l'activité des navires commerciaux, des avions et même des mammifères marins se déplaçant à travers l'océan ».
Le projet s'appelle Ocean of Things et son essence est similaire à un grand nombre d'appareils intelligents à capteurs qui collectent des informations via l'Internet des objets. La page du projet indique que les données des capteurs seront téléchargées sur un stockage cloud appartenant au gouvernement pour analyse. L'« Océan des choses » soutiendra les missions militaires et est également ouvert aux instituts de recherche et aux organisations commerciales.
Le professeur Seokheum Choi de l'Université de Binghamton travaille sur un tel dispositif depuis plus d'une décennie grâce au financement de l'Office of Naval Research. Aujourd'hui, Choi et son équipe ont développé un petit robot aquatique capable de glisser sur l'eau, alimenté par des bactéries embarquées plutôt que par des systèmes énergétiques courants tels que l'énergie solaire, l'électricité ou la chaleur.
"Nous explorons activement diverses stratégies innovantes pour permettre aux robots autonomes de récolter de l'énergie directement à partir de l'environnement marin. Ces stratégies incluent l'exploitation de l'énergie solaire, de l'énergie cinétique générée par les vagues ou les courants, le potentiel osmotique de l'eau salée, les gradients thermiques et l'énergie induite par l'humidité", a noté l'équipe de recherche dans le document.
"Malgré la nature innovante de ces approches, la disponibilité variable de l'énergie lumineuse et mécanique dans les environnements marins, associée à la production d'énergie relativement faible provenant des gradients de salinité, des différences thermiques et de l'humidité, présente des défis importants. Ces limitations entravent la capacité d'assurer un fonctionnement fiable et durable des robots aquatiques en s'appuyant uniquement sur les technologies actuelles de récupération d'énergie."
La centrale électrique du nouveau système est construite autour d'une pile à combustible microbienne qui utilise une bactérie sporulée appelée Bacillus subtilis, un petit générateur inspiré du processus de digestion biologique qui convertit la matière organique en électricité grâce à une réaction catalytique de réduction-oxydation.
"Lorsque les conditions sont favorables aux bactéries, elles se transforment en cellules asexuées et produisent de l'énergie, mais lorsque les conditions sont défavorables - par exemple, il fait très froid ou qu'il n'y a pas de nutriments - elles se transforment à nouveau en spores. De cette façon, nous pouvons prolonger la durée de vie opérationnelle", a déclaré Choi.
L'anode de la pile à combustible est fabriquée à partir d'un tissu de carbone recouvert de polypyrrole, un matériau choisi pour son excellente conductivité et sa capacité à favoriser la croissance bactérienne. La cathode accepteuse d'électrons est également en tissu de carbone mais décorée de platine recouvert de polypyrrole, choisi pour ses « propriétés catalytiques qui accélèrent la réduction de l'oxygène ». La dernière pièce du puzzle est la membrane Nafion117 pour le transfert sélectif de protons.
L'unité de puissance intégrée présente également des surfaces hydrophobes et hydrophiles adjacentes, permettant un « écoulement unidirectionnel » de la « matrice organique » dans l'eau de mer pour fournir des nutriments aux spores bactériennes.
Un seul dispositif à pile à combustible avait une « densité de puissance maximale de 135 µWcm-2 et une tension en circuit ouvert de 0,54 V », mais après une mise à l'échelle jusqu'à un réseau de six cellules, la production d'énergie observée a atteint près d'un milliwatt. Cette sortie peut être globalement relativement faible, mais elle est suffisante pour les petits moteurs à courant continu et les capteurs embarqués au sommet de la plate-forme.
Les chercheurs expliquent : « Afin d'obtenir un mouvement fluide de l'eau, le robot utilise la force de rotation du moteur pour exercer une force de réaction sur la plate-forme, la poussant vers l'avant sur la surface de l'eau sans agir directement sur l'eau elle-même. En même temps, « les propriétés hydrophobes aident à générer la force de flottabilité principale. » Les jambes du petit robot sont également traitées avec un revêtement hydrophobe afin qu'il puisse glisser sur l'eau comme un marcheur aquatique.
L’objectif est donc de pouvoir déployer le collecteur de microdonnées là où il est nécessaire à un moment donné, plutôt que de le confiner à un seul endroit pendant toute sa durée de vie opérationnelle.
L'équipe de recherche a noté : « Bien que ces travaux aient démontré avec succès des capacités de mouvement autonomes à la surface de l'eau pilotées par un réseau MFC intégré, l'exploration d'applications pratiques telles que le positionnement, la détection, le traitement du signal et la transmission de plates-formes robotiques aquatiques reste un domaine inexploré.
Le document de recherche a été publié dans la revue Advanced Materials Technology.