Africa-Press – Guinee Bissau. Cela fait des siècles que pour s’orienter, l’Homme utilise des boussoles. Mais ces dernières, magnétiques, sont parfois difficilement utilisables en présence d’électronique, comme dans des drones ou d’autres systèmes robotiques. Des chercheurs de l’Université d’Édimbourg (Ecosse) ont trouvé une solution, en s’inspirant des insectes utilisant la polarisation de la lumière pour s’orienter. Le concept a fait l’objet d’une publication dans la revue Nature mi-novembre 2023.
Les boussoles, un système sensible à l’électronique
Les boussoles fonctionnent sur le principe suivant : les aimants s’alignent avec le champ magnétique qui les entoure. L’aiguille d’une boussole est donc un petit aimant de faible puissance libre de tourner afin de s’orienter avec les lignes du champ magnétique de la Terre. Ces lignes de champ connectent le pôle sud d’un aimant à son pôle nord, ainsi l’aiguille de la boussole, en s’alignant, indiquera le nord magnétique (situé proche du pôle nord géographique). Pour les systèmes électroniques, ce sont des capteurs du champ magnétique qui remplace l’aiguille.
Les boussoles sont sensibles à tous les champs magnétiques, pas uniquement à celui de la Terre. Elles se trouvent donc perturbées en présence d’électronique produisant ce type de champ (les moteurs électriques par exemple). Il n’est donc pas possible d’utiliser cette technologie pour équiper des appareils comme les drones. Le seul moyen actuel restant pour permettre l’orientation de tels robots est l’utilisation des réseaux de satellites constituants le système GPS, ces derniers n’étant pas toujours disponibles.
C’est donc face à ce constat d’un besoin de nouvelle technologie d’orientation que des chercheurs de l’Université d’Édimbourg ont développé une “boussole optique” s’inspirant des insectes capables de s’orienter grâce à la polarisation de la lumière.
Lumière et polarisation
La lumière dans sa description ondulatoire est constituée d’une composante électrique et d’une composante magnétique. Ces composantes oscillent perpendiculairement au rayon lumineux (on parle d’onde transversale). De manière générale, aucune direction n’est favorisée pour les composantes électrique ou magnétique (lorsque c’est le cas, on parle d’onde polarisée).
La lumière peut se retrouver polarisée quand elle se retrouve déviée de sa trajectoire naturelle. Dans le cas de la lumière que nous recevons du soleil, elle est déviée par l’arrivée dans l’atmosphère terrestre, et se retrouve polarisée. Cette polarisation de la lumière est un phénomène connu depuis longtemps : en 1871, John W. Strutt, physicien britannique né en 1842 et mort en 1919, lauréat du prix Nobel de physique en 1904, expliquait dans un article cette polarisation en étudiant les motifs lui étant liés.
L’étude de cette polarisation et l’observation que certains arthropodes (comme les abeilles ou les fourmis) s’orientent grâce à la position du soleil, déterminée à partir de la polarisation de la lumière, incite donc à développer de nouvelles “boussoles” s’inspirant du comportement de ces animaux.
Une “boussole” céleste inspirée des insectes
Dans son étude, les chercheurs de l’université d’Édimbourg présentent le modèle de boussole capable de fonctionner même par temps nuageux ou lorsque le ciel n’est pas entièrement visible (par la présence de branches d’arbres par exemple), en se basant sur la vision des arthropodes (dans leur cas principalement des fourmis du désert et des mouches à fruits).
Les yeux des fourmis du désert sont composés d’une multitude de facettes appelées ommatidies. Les chercheurs ont remarqué que dans la partie au bord du dos de ces insectes, certaines ommatidies sont sensibles à la polarisation. Chacune capte de la lumière filtrée selon deux axes de polarisation perpendiculaire l’un par rapport à l’autre. Sur l’œil des insectes, ces ommatidies spécifiques pointes vers différentes zones du ciel et ont des axes de filtres orientés dans différentes directions.
Déterminer la position du soleil dans une grande variété de conditions météos
Les chercheurs ont donc reproduit de manière électronique le principe de ces ommatidies. Ils ont conçu un ensemble de capteurs de polarisation qu’ils ont orienté vers différents points du ciel. Pour simplifier les calculs dans leur conception, ils n’ont conservé que deux ensembles de directions orthogonales. Là où des modèles concurrents se concentrent uniquement sur la direction de la polarisation de la lumière afin de déterminer la position du soleil, les chercheurs écossais ont eux estimé plusieurs grandeurs permettant de simplifier les calculs tout en améliorant la précision du résultat.
Leur algorithme calcule ainsi trois grandeurs pour chaque capteur :
l’intensité totale (la somme des intensités pour des axes de polarisation orthogonaux)
la polarisation (la différence des deux intensités) normalisée (divisée) par l’intensité
et ce qu’ils appellent l’intégration céleste, qui est la différence entre les deux valeurs précédentes
Les auteurs de ces travaux ont mesuré ces grandeurs pour différentes orientations (en faisant tourner leur robot) et ont ensuite estimé la position du soleil. Ils ont remarqué que pour leurs trois valeurs, les résultats étaient meilleurs que les autres modèles se basant sur l’angle de polarisation. Ces meilleurs résultats sont obtenus avec l’intégration céleste, mais celle-ci est assez sensible à la présence de nuages, contrairement à la polarisation.
Leur boussole permet donc de déterminer la position du soleil dans une grande variété de conditions météorologiques et d’accès visuel au ciel. Cette donnée permet ensuite de remonter à la détermination du nord. Leur système, faisant actuellement environ 15 cm, doit encore être miniaturisé pour pouvoir être embarqué dans de la robotique comme des drones.
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