Des roues avec des dents qui tournent pour transformer l’énergie du mouvement en une puissance maîtrisée : c’est l’invention des engrenages. Les premiers éléments mobiles datent d’il y a 3 000 ans en Chine, où ils servaient à actionner des moulins et des systèmes agricoles. Dès le Ier siècle avant notre ère, ils étaient utilisés en Grèce à la manière de l’horlogerie pour prédire les mouvements des astres. C’est le fameux mécanisme d’Anticythère.
S’ils se sont améliorés au fil du temps et animent désormais les robots humanoïdes, les engrenages ont peu changé. Les dents, qu’elles soient en bois, en métal ou en plastique, sont susceptibles de casser. Les mécanismes doivent être usinés avec une grande précision pour limiter les contraintes et l’usure.
Pour réduire à néant ces contraintes et réinventer ce procédé, des chercheurs de l’Université de New York, aux États-Unis, ont créé des engrenages sans dents et dont les éléments n’ont pas besoin d’être en contact pour s’animer. Comment ? En partant du constat que l’air et l’eau en mouvement ont été utilisés pour faire tourner des structures comme les turbines, les auteurs de cette expérimentation ont misé sur des fluides pour remplacer les dents des engrenages. Ils ont immergé des cylindres dans une solution de glycérol et d’eau. La viscosité et la densité de ce liquide pouvaient être dosées.
Un mécanisme liquide
Il est apparu qu’en faisant tourner l’un des cylindres, les flux de fluide générés sont capables d’entraîner la rotation d’un autre cylindre. Afin de suivre les flux visuellement avec plus de précision et observer comment ils se comportaient comme des engrenages, les chercheurs ont injecté des minuscules bulles.
Le flux de fluide de l’élément mobile à gauche va générer l’équivalent d’engrenages à dents pour les deux cylindres. Le mouvement de la poulie principale va faire tourner l’autre dans le sens opposé. © New York University, YouTube
Selon l’éloignement des poulies, les flux de fluides se comportent différemment. Lorsque les cylindres étaient très proches, les flux agissaient comme des dents en se synchronisant tels des engrenages classiques, faisant tourner la poulie passive dans l’autre sens.
En revanche, lorsque les cylindres étaient plus éloignés et à condition que le cylindre actif tourne plus vite, les flux formaient l’équivalent d’une courroie reliant les deux cylindres, permettant de faire tourner l’élément passif dans le même sens que le principal.
À condition que le cylindre actif tourne très vite, le flux liquide va créer l’équivalent d’une courroie pour entraîner l’autre élément mobile dans la même direction. On peut voir que c’est assez laborieux, mais cela fonctionne. © New York University, YouTube
Révolutionnaire ? Oui, mais…
Ces engrenages fluides ont l’avantage de ne pas avoir besoin d’être conçus avec précision, puisqu’ils sont dénués de dents. De même, leur sens de rotation peut être modifié au besoin, simplement en éloignant les cylindres.
Si l’idée est séduisante, le prototype ne transmet pas encore de charge utile significative comme dans un système mécanique classique. Et pour ce qui est de leur exploitation concrète, il semble évident que ces mécanismes ne sont pas vraiment adaptés à tous les usages.
Ils pourraient être utiles pour animer des robots humanoïdes ou bio-inspirés, nécessitant une bonne flexibilité dans leurs mouvements, ou bien dans des environnements où les engrenages métalliques s’abîment vite.
En revanche, dès qu’il s’agit de transmettre du mouvement pour générer un couple important, par exemple une boîte de vitesse d’auto, leur utilisation semble totalement inadaptée. Pour ce type d’usage, c’est justement la rigidité des dents qui permet de transmettre le maximum de couple. Un fluide fera perdre beaucoup d’énergie.