Délicat, diligent, éphémère

Alexander von Humboldt, Charles Darwin et Ernest Shackleton ont entrepris de longues années de voyages d'exploration et de privation afin de recueillir des impressions spectaculaires et jusqu'alors inconnues. Les précurseurs de l'observation moderne de l'environnement doivent aujourd'hui être suivis par des collecteurs de données plus rapides et plus modernes, qui enregistrent des paramètres écologiques importants en temps réel et sans risque. C'est pourquoi les chercheurs de l'Empa du laboratoire Sustainability Robotics de Dübendorf développent des capteurs et des appareils volants durables et bon marché, capables de collecter des données environnementales de manière économique, dense et autonome, même dans des zones inaccessibles, des «bio-planeurs». Prenez: des pommes de terre, un peu de déchets de bois et un lichen colorant.

Test d’acidité dans la forêt

Comme les feuilles qui vacillent vers le sol en automne, ils voguent silencieusement vers le sol de la forêt: les bio-planeurs avec capteurs intégrés. Le label «bio» s'applique à double titre à ces appareils volants élancés: ils s'inspirent de la biologie, puisqu'ils s'inspirent des graines volantes de Alsomitra macrocarpa, et ils sont en outre biodégradables. Lorsqu'un drone a libéré les graines intelligentes, elles transmettent des données sur l'humidité et l'acidité du sol jusqu'à ce qu'elles se décomposent et ne fassent plus qu'un avec le sol de la forêt.

Le chercheur de l'Empa Fabian Wiesemüller et l'équipe de Mirko Kovac du laboratoire Sustainability Robotics veulent utiliser les données des graines intelligentes pour surveiller l'état du sol forestier et son équilibre biologique et chimique. Un premier capteur sert maintenant à mesurer le pH à l'aide d'un test classique à l’aide d’un papier tournesol. Dans ce cas, le colorant obtenu à partir du lichen réagit à l'acide en passant du violet au rouge. «Le changement de couleur du capteur sur le sol de la forêt est ensuite enregistré par un drone qui survole la zone», explique Fabian Wiesemüller.

Un capteur fleurissant

Pour que le capteur soit protégé jusqu'à son utilisation et ne collecte des données qu'au moment décisif, il est recouvert d'un film protecteur. Il s'agit d'une «contre-capuche» astucieuse qui libère le capteur dès que la pluie tombe: pendant les pauses de travail, elle adopte une position de protection robuste. En revanche, dès que le capteur doit commencer à fonctionner, le film de protection réagit de manière très sensible. S'il y a de la pluie dans l'air, il s'ouvre comme une fleur. En collaboration avec l'équipe de Gustav Nyström du laboratoire Cellulose & Wood Materials de l'Empa, les chercheurs ont développé ce mécanisme de protection à base de cellulose nanofibrillée provenant de restes de bois, qui a été transformée avec de la gélatine en un fin film polymère réagissant à l'humidité de l'air. Une fois que les nuages de pluie se sont dissipés, la fleur de polymère se referme après environ 30 minutes jusqu'à la prochaine utilisation. Pour que la «fleur» s'ouvre de manière symétrique, le film polymère est en outre recouvert d'une couche très fine de gomme-laque, une substance résineuse naturelle sécrétée par les pucerons des plantes. Elle empêche le matériau polymère de se dilater de manière irrégulière en présence d'humidité.

Des ailes de la pomme de terre

Le biocapteur utilise comme véhicule de transport un planeur dont le matériau est constitué d'amidon de pomme de terre classique, comparable à du papier alimentaire. Il est donc facile d'imprimer le planeur et de lui donner la forme de la graine de Alsomitra macrocarpa. L'engin volant ne pèse que 1,5 gramme avec le capteur et a une envergure de 14 centimètres. «Le design inspiré de la biologie doit permettre au planeur de voler le plus longtemps possible», explique le chercheur en robotique Fabian Wiesemüller pour expliquer le choix de la géométrie du planeur. Dans les arènes de vol de drones de l'Empa à Dübendorf et de l'Imperial College London, Fabian Wiesemüller a finalement pu optimiser le comportement en vol et la stabilité des premiers prototypes. Dans l'arène de vol, le bio-planeur parvient à atteindre une finesse de 6. Cela correspond à une distance horizontale de 60 mètres lorsque le planeur décolle d'une hauteur de 10 mètres.

Lorsque l'appareil de mesure ultraléger atteint le sol, une course contre la montre commence. Alors que le capteur mesure le pH à chaque averse, la nature s'en mêle. Après sept jours dans des conditions de laboratoire, les organismes du sol ont déjà décomposé les ailes. Après trois semaines supplémentaires, le capteur se désagrège. Les composants naturels du bio-planeur retournent ainsi dans la nature. Le capteur mesurant l’acidité ne représente qu'une première «preuve de concept», qui sera suivie par d'autres types de capteurs qui détermineront par exemple l'état des arbres, des eaux et des sols en temps réel, selon Fabian Wiesemüller.

De la poussière à la poussière

Actuellement, les chercheurs vont encore un peu plus loin. Leur objectif est de saisir les effets du changement climatique sur différents habitats à l'aide de drones capteurs entièrement biodégradables. Dans l'esprit d'une «écologie numérique», de tels robots permettent de faire des prévisions précises sur l'état de l'environnement et de prendre les mesures de prévention correspondantes, pour ensuite se décomposer dans la nature en leurs matériaux de base. Jusqu'à présent, toutes les pièces de ces drones environnementaux ne sont pas encore disponibles dans des versions biodégradables de haute qualité. Les chercheurs de l'Empa travaillent désormais en équipes interdisciplinaires sur des drones volants dotés d'une structure respectueuse de l'environnement à base de matériaux cellulosiques et gélatineux hautement poreux. Les connaissances acquises dans le cadre du projet Bio-Planeur y sont également intégrées.