Un moteur miniature pose un problème assez bête : même lorsqu’on sait le fabriquer petit, il faut encore lui donner de l’énergie, transmettre son mouvement, tenir les pièces ensemble et survivre aux frottements. À l’échelle du millimètre, chaque roulement, aimant, bobine et fil devient une partie importante de la machine.

Une équipe de l’EPFL a essayé une autre stratégie. Elle imprime une cavité creuse, l’accorde à une fréquence acoustique, puis laisse une source sonore extérieure fournir l’énergie.1

Quand la fréquence correspond à la résonance de la cavité, l’air oscille à l’intérieur. À l’ouverture, l’écoulement sortant est plus concentré que l’écoulement entrant. Cette asymétrie produit un petit jet et donc une poussée.12

La machine n’a pas miniaturisé un moteur électrique. Elle a transformé sa géométrie en actionneur et déplacé une partie du système dans l’environnement.

Un résonateur de Helmholtz qui devient propulseur

Le principe porte le nom de résonance de Helmholtz. Une bouteille dans laquelle on souffle en donne une version familière : le volume d’air dans la cavité et celui du col possèdent une fréquence naturelle.

Les chercheurs de l’EPFL exploitent cette résonance dans l’autre direction. Le son extérieur met l’air de la cavité en mouvement ; la forme du col convertit cette oscillation en écoulement dirigé.1

Le papier publié dans Science Advances couvre des structures allant de l’échelle centimétrique à micrométrique et rapporte des poussées allant du millinewton au micronewton.1

Sur des petits bateaux, jusqu’à trois cavités peuvent fournir propulsion et direction. L’excitation peut venir du son transmis par l’air ou par la structure.12

À cette taille, le système n’est pas obligé d’emporter son haut-parleur. C’est à la fois sa force et sa limite.

Le microdrone de 150 microgrammes ne porte pas sa source d’énergie

L’expérience la plus spectaculaire utilise une technique de nano-impression 3D pour intégrer trois cavités directement dans un microflier en polymère.2

Un premier modèle pèse 150 microgrammes et produit une poussée verticale directe. Le papier donne un rapport poussée/poids de 4,9.1 Un autre modèle de 184 microgrammes utilise les cavités pour entraîner de minuscules pales, avec une rotation mesurée jusqu’à 13 000 tours par minute.12

Les fréquences utilisées pour les microfliers sont ultrasonores, donc inaudibles pour l’oreille humaine.2

Ces chiffres sont impressionnants à condition de ne pas oublier ce qui se trouve hors cadre : le champ acoustique qui alimente l’objet. Le microdrone n’est pas autonome au sens d’un quadricoptère avec batterie. Il est plus proche d’un appareil qui fonctionne à l’intérieur d’une infrastructure d’énergie sans fil.

Hackaday insiste justement sur cette particularité : pour les bateaux, les transducteurs peuvent être fixés à la structure ; pour les microfliers, les contraintes de masse poussent la source ultrasonore à rester extérieure.3

Miniaturiser peut vouloir dire déplacer

C’est probablement la leçon la plus réutilisable du projet.

Lorsqu’un composant refuse de devenir suffisamment petit, une solution consiste à demander s’il doit vraiment rester dans l’objet.

Les robots industriels reçoivent leur intelligence depuis un ordinateur externe. Des tags RFID n’emportent pas de batterie et récupèrent leur énergie du lecteur. Ici, le petit robot conserve surtout la géométrie capable de sélectionner et convertir une fréquence sonore.

L’équipe de Selman Sakar imagine même plusieurs structures accordées à des fréquences différentes dans un même dispositif flexible. En changeant le son envoyé, différentes zones pourraient bouger, se plier ou vibrer.2

On obtiendrait alors quelque chose qui ressemble moins à un robot miniature conventionnel qu’à une matière dont les parties répondent à des notes différentes.

Ce futur reste une proposition de recherche, pas un produit. Les expériences actuelles dépendent d’une excitation acoustique contrôlée ; la poussée est minuscule en valeur absolue ; et l’efficacité d’un système complet compte autant que la beauté de l’actionneur.

Mais la démonstration change la question de conception.

Au lieu de demander « comment faire tenir un moteur dans 150 microgrammes ? », on peut demander : « quelle est la plus petite structure capable de transformer une énergie déjà présente autour d’elle ? »

À cette échelle, un trou bien dimensionné peut soudain devenir une machine.