Un étonnant croisement entre la biologie et l’aéronautique se dessine, plaçant la modeste libellule au cœur d’un ambitieux projet de redéfinition de la conception des avions*.
Ces derniers proposent une étude multidisciplinaire, publiée dans la revue Advanced Science, qui explore la possibilité de redessiner l’aile d’un Boeing 777 en s’inspirant de la structure des ailes de la libellule. Ce travail pourrait mener à des avions plus légers, plus résistants et plus durables.
Masoud Akbarzadeh en charge du projet, souligne que la nature est une précieuse source d’inspiration pour l’optimisation des systèmes. En observant une libellule, on découvre des ailes qui se sont perfectionnées au fil de millions d’années pour devenir incroyablement légères, efficaces et robustes.
L’équipe s’est intéressée à la géométrie de la surface et à la structure interne des veines des ailes de la libellule. Cette configuration hiérarchique complexe offre force et flexibilité, permettant aux libellules de générer de la portance et de manœuvrer rapidement.
Analyse des ailes de libellule
Les chercheurs ont analysé la complexité du réseau géométrique des veines de l’aile de la libellule en utilisant une méthodologie proposée par James Clerk Maxwell en 1864, connue sous le nom de diagrammes réciproques de Maxwell. Cet outil d’analyse, utilisé pour calculer l’équilibre des forces dans un système, a joué un rôle significatif dans le décryptage de la physique de la structure de l’aile de la libellule.
Masoud Akbarzadeh explique que leur découverte a permis aux chercheurs d’étudier le comportement de la structure de l’aile imitée par le motif structurel de l’aile, ce qui pourrait aboutir à des structures d’ailes plus efficaces contre la flexion hors du plan.
Apprentissage automatique inspiré de la nature
Le groupe de recherche a subdivisé la géométrie de l’aile en son réseau vasculaire interne et ses bords extérieurs. Cela leur a permis de cartographier comment les structures internes de l’aile de la libellule pourraient être affectées par d’autres composants.
Les résultats ont fourni des données précieuses pour entraîner leur algorithme d’apprentissage automatique. Masoud Akbarzadeh imagine un aile d’avion conçue selon les principes observés dans une aile de libellule. Cette approche pourrait potentiellement conduire à des avions plus légers et plus efficaces, utilisant moins de matériaux, conduisant à d’importantes économies de carburant et de coûts, sans oublier une réduction substantielle de l’empreinte environnementale de l’aviation.
Transformer la théorie en réalité
L’équipe a appliqué ses découvertes à des scénarios du monde réel en intégrant des conceptions inspirées de la libellule dans une structure d’aile d’un Boeing 777 à l’échelle 1:120. Elle a observé une amélioration significative de l’efficacité structurelle des ailes. Le design inspiré de la libellule a augmenté la rigidité hors plan de 25%, suggérant le potentiel pour des conceptions d’ailes plus légères et plus efficaces.
À l’avenir, l’équipe prévoit de creuser davantage la structure 3D de l’aile de la libellule, espérant découvrir d’autres sources d’inspiration. Ils envisagent également de peaufiner leur modèle d’apprentissage automatique, d’améliorer ses capacités prédictives et d’augmenter la précision de la recréation de la structure artificielle.
En synthèse
Cette étude met en lumière le potentiel inexploité de la conception inspirée de la nature. Par la fusion synergique de l’apprentissage automatique, de la biologie structurale et de l’ingénierie, une nouvelle frontière se dessine, promettant une vague d’innovation dans diverses disciplines d’ingénierie.
* Ce projet est dirigé par Masoud Akbarzadeh de la Weitzman School of Design à l’Université de Pennsylvanie et son ancien doctorant Hao Zheng.
Légende : Masoud Akbarzadeh, de la Weitzman School of Design, dirige un groupe multidisciplinaire de concepteurs architecturaux, d’ingénieurs en structures, d’informaticiens et d’autres personnes dans son laboratoire de structures polyédriques. Il étudie les moyens d’utiliser les géométries polyédriques que l’on trouve fréquemment dans la nature pour créer des structures plus solides et plus légères, tout en utilisant moins de matériaux. M. Akbarzadeh parle d’une étude récente qui s’inspire des ailes de libellules.
