DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Méthodes de l'automatique pour la conception optimale de récupérateurs d'énergie piézoélectriques dédiés pour les systèmes de géolocalisation d'oiseaux – CODE-Track

Des dispositifs poids plume pour la géolocalisation des oiseaux

Vers une nouvelle génération de dispositifs de géolocalisation en temps-réel d’oiseaux grâce à un récupérateur d’énergie moins lourd et moins encombrant

Une technologie actuellement utilisée pour géolocaliser en temps réel des oiseaux est un dispositif qui inclue un GPS et un émetteur. Pour son alimentation, le dispositif intègre un panneau solaire. Cependant, dû à la contrainte de masse totale de technologies embarquables sur un animal, la plus petite de ce dispositif de géolocalisation GPS/temps réel ne permet pas d’étudier des espèces ayant une masse en dessous de 170 g.<br />CODE-Track étudie une nouvelle génération de technologie de géolocalisation temps-réel et par GPS pour des espèces de masse inférieure à 170 g. Pour cela, le projet innove sur l’alimentation électrique du dispositif en remplaçant le panneau solaire par une autre source pouvant être plus petite et plus légère. Le principe original de cette source consiste à récupérer une partie de l’énergie mécanique du battement d’ailes de l’oiseau et à transformer celle-ci en énergie électrique grâce à une structure piézoélectrique. Outre le suivi d’espèces d’animaux plus petites, les résultats attendus impacteront à long termes d’autres applications telles que les “wearable devices” qui sont de plus en plus petits et autonomes.

Le projet CODE-Track s’est focalisé sur la conception du récupérateur d’énergie à base de structure piézoélectrique ainsi que sur la fabrication de celui-ci. D’abord, l’approche scientifique originale proposée consiste à exploiter et à étendre les techniques d’optimisation appelée topologique ce qui permet de concevoir une structure optimale capable de maximiser la puissance fournie tout en minimisant son volume et donc son poids. Les défis sont à la fois l’intégration du phénomène piézoélectrique dans la méthode d’optimisation topologique choisie, son extension en 3 dimensions afin d’arriver à une structure optimale de forme 3D, l’intégration des contraintes liées au battement d’ailes de l’oiseau telles que la fréquence faible, et la fabrication de la structure piézoélectrique 3D résultante. Ensuite, pour réaliser la structure, le projet propose de combiner une fabrication 3D pour ses parties passives, c-à-d non-piézoélectriques, avec une fabrication 2D pour ses parties piézoélectriques. Enfin, la dernière étape du projet concerne la caractérisation de la structure de récupération d’énergie optimalement conçue et ls validation expérimentale.

- Proposition d’une méthode de conception optimale de récupérateurs d’énergie piézoélectriques fonctionnant avec des vibrations dans le plan, puis avec des vibrations dans toutes les directions de l’espace.
- Développement d’un code MATLAB d’optimisation topologique utilisable à la fois pour concevoir des récupérateurs d’énergie et des actionneurs piézoélectriques, le code étant publié dans le journal Structural and Multidisciplinary Optimization.
- Fabrication de plusieurs prototypes de récupérateurs d’énergie conçus optimalement et ayant des formes 3D.
- Expérimentation sur les prototypes de récupérateurs d’énergie en fonctionnement avec des vibrations dans le plan puis dans l’espace.
- Création d’un partenariat avec le Centre International de Physiologie et d'Ecologie des Insectes (ICIPE) à Nairobi pour travailler ensemble sur le suivi d’insectes en groupe, dont les criquets.
- Soumission d’un projet ANR avec des chercheurs en mécanique, des chercheurs en textile et fibres, des chercheurs en intelligence artificielle et l’entreprise AMAROB Technologies de Besançon. Le projet étend l’optimisation topologique piézoélectrique issu de CODE-Track pour la conception de dispositif autonome et respectueux de la nature dédié pour la mesure à la fois du pulse, de la tension et de la raideur de la peau/muscle autour du bras humain. Le dispositif combine le matériau piézoélectrique avec le matériau Lyocell qui est biocompatible et écologique.

- Exploitation et extension de l’optimisation topologique piézoélectrique développée dans CODE-Track pour la conception optimale de mains robotiques ayant la capacité d’actionnement et de mesure et dédiées à la manipulation d’objets déformables dans le cadre de l’Industrie du futur.
- Exploitation et extension de l’optimisation topologique piézoélectrique développée pour la conception optimale de dispositif médical autonome et respectueux de la nature, combinant matériaux piézoélectrique PVDF et matériau textile Lyocell.

Les résultats de ce projet ont donné lieu à 7 revues et 6 conférences internationales dans les domaines suivants : mécatronique, robotique, optimisation, microsystèmes, micro-bio robotique, et instrumentations. 2 communications nationales ont également accompagné ces publications. Par ailleurs, le projet a permis de co-organiser un spécial issue concernant les « nanogénérateurs piézoélectriques pour les capteurs autonomes » dans la revue Micromachines en collaboration avec 2 chercheurs de Georgia Institute of Technology et de Xidian University.
Suite à une invitation, le projet est aussi présenté sous une forme d’article vulgarisé dans un chapitre du livre Ingénierie Verte édité par l’INSIS du CNRS et publié en 2019.
Enfin, plusieurs vulgarisations et transferts ont été produits : séminaires dans des universités étrangères, démonstration lors de la fête de la science annuelle à l’ENIT, création de 2 cours en « récupérateurs d’énergie » et en « optimisation topologique de structures actives » au sein du master international « control for green mechatronics » de l’Université Bourgogne Franche-Comté et que j’ai dirigé jusqu’à mon départ en 2019 oùj ’ai rejoint l’ENIT de Tarbes.

Ce projet explore les possibilités d'utiliser les outils de l'automatique pour le développement de récupérateurs d'énergie piézoélectriques vibrants (vPEH) pour alimenter les systèmes de géolocalisations d'oiseaux. Le principe, nouveau par rapport aux méthodes existantes de conception de vPEH, propose quatre avantages majeurs : i) une conception systématique et méthodologique, ii) un levé de la limite actuelle sur la densité d'énergie, iii) une robustesse malgré la variation de la fréquence des vibrations environnantes, iv) et une augmentation substantielle de l'autonomie. De tels vPEH permettent : un volume et un poids très réduits des géolocalisateurs tel qu'il est possible d'équiper plus d'espèces qu'actuellement, une autonomie extrêmement grande (pour la durée de vie de l'oiseau), et une sécurité et un confort pour l'animal équipé.

Coordination du projet

Micky RAKOTONDRABE (ECOLE NATIONALE D'INGENIEURS TARBES)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ENIT ECOLE NATIONALE D'INGENIEURS TARBES
FEMTO-ST Franche-Comté Electronique, Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies

Aide de l'ANR 214 779 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 48 Mois

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