Membres minuscules et corps longs : coordonner la locomotion des lézards

Les serpents et les lézards ont des mouvements corporels distincts. Les lézards se plient d’un côté à l’autre lorsqu’ils rétractent leurs pattes pour marcher ou courir. Les serpents, quant à eux, glissent et ondulent, comme une vague qui parcourt le corps. Cependant, il existe des espèces de lézards qui ont de longs corps ressemblant à des serpents et des membres si petits que même les scientifiques se sont interrogés sur leur objectif. Comprendre comment ces lézards d’apparence hybride se déplacent pourrait donner un aperçu de la raison pour laquelle une transition évolutive d’un mouvement semblable à un lézard à un mouvement semblable à un serpent s’est produite.

À l’aide d’expériences biologiques, de modèles de robots et d’une théorie géométrique de la locomotion des années 1980, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont étudié comment et pourquoi des espèces de lézards intermédiaires, avec leurs corps allongés et leurs membres courts, pourraient utiliser leur corps pour se déplacer. Dirigée par le professeur de physique des systèmes vivants Daniel Goldman, l’équipe de recherche a étudié la coordination corps-membres dans un échantillon diversifié de corps de lézards. Leur approche multidisciplinaire a révélé l’existence d’un spectre de mouvements corporels jusque-là inconnu chez les lézards, révélant un continuum de dynamique de locomotion entre les mouvements de lézard et de serpent. Leurs conclusions, publiées dans le numéro de juin de Actes de l’Académie nationale des sciencesapprofondir la compréhension des implications de l’évolution pour la locomotion et disposer d’applications supplémentaires pour les conceptions robotiques avancées.

« Nous étions intéressés par pourquoi et comment ces lézards intermédiaires utilisent leur corps et leurs membres pour se déplacer dans différents environnements terrestres », a déclaré Goldman. « Il s’agit d’une question fondamentale en biologie de la locomotion et peut inspirer des robots se tortillant plus capables. »

Une approche multidisciplinaire

Baxi Chong, un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Goldman et premier auteur de l’article, s’est intéressé aux espèces de lézards allongés et à membres courts Brachymeles lors d’une présentation de Philip Bergmann, professeur agrégé de biologie évolutive à l’Université Clark, dans laquelle Bergmann a discuté de l’évolution de l’espèce. Chong, un théoricien, avait un outil en tête qui, selon lui, pourrait aider à expliquer comment le rare lézard se déplaçait, alors il a contacté Bergmann pour collaborer. Bergmann a envoyé des images des lézards à l’état sauvage au laboratoire de Goldman pour analyse.

Eva Erickson, récemment diplômée de Georgia Tech et du laboratoire de Goldman, a ensuite appliqué de nouvelles techniques d’intelligence artificielle pour analyser le mouvement du corps des lézards dans les vidéos de Bergmann ainsi que d’autres espèces de lézards. Connu sous le nom de suivi de réseau neuronal, le logiciel utilise l’IA pour identifier les caractéristiques des images, telles que les jambes et les corps, et suivre ces caractéristiques et leurs mouvements.

On pense généralement que les organismes se tortillent comme des serpents, se plient comme des lézards ou n’utilisent aucune flexion corporelle. Lors de l’analyse des images, cependant, les chercheurs ont vu une grande variété d’ondes ressemblant à des serpents (ondes progressives) et de mouvements ressemblant à des lézards (ondes stationnaires) représentés à travers une diversité d’espèces de lézards.

« Le logiciel d’estimation de pose d’animaux sans marqueur s’est considérablement amélioré, permettant un meilleur aperçu de la cinématique des organismes », a déclaré Erickson, qui entreprendra un doctorat. programme à l’Université Brown à l’automne 2022. « Grâce au suivi des vidéos avec le programme DeepLabCut, nous avons constaté que ces espèces exécutent un large éventail de modèles d’ondes lorsqu’elles se déplacent. »

La question suivante était de savoir comment donner un sens à la diversité des modèles de vagues. Selon Chong, bien qu’il existe une infinité de façons de penser aux ondes et à ce qu’elles signifient, l’information est si complexe qu’il est presque impossible pour les humains de comprendre sans utiliser des équations laborieuses et chronophages.

Au lieu de cela, Chong a utilisé une technique mathématique développée par les physiciens des particules et les théoriciens du contrôle au cours des dernières décennies. Alors que la théorie, maintenant appelée mécanique géométrique dans le domaine de la locomotion, a été initialement introduite pour étudier la locomotion idéalisée – pour comprendre comment trois points connectés pourraient nager dans l’eau – Chong a adapté la théorie pour inclure le concept de jambes.

En utilisant la mécanique géométrique, Chong a produit des diagrammes qui visualisaient les données de coordination corps-membre, remplaçant les calculs compliqués par une analyse schématique beaucoup plus simple. Ils ont pu à la fois voir et montrer l’avantage des ondes ressemblant à des serpents dans la locomotion des lézards allongés à membres courts et prédire que l’avantage survient lorsque la génération de poussée primaire passe des membres au corps.

« L’avantage de la mécanique géométrique est que nous n’avons pas à explorer toutes les possibilités de locomotion pour déterminer laquelle est la meilleure », a déclaré Chong.

Les découvertes du suivi du réseau neuronal et de la mécanique géométrique ont permis au groupe de formuler une théorie : que le style de mouvement des lézards – qu’ils se déplacent en utilisant des ondes stationnaires pour courir ou une onde progressive pour glisser – est étroitement lié au degré de taille des membres et à l’allongement du corps. .

Tester la théorie avec des lézards réels et robotiques

Les chercheurs ont testé la théorie de deux manières. Tout d’abord, ils ont changé l’environnement, plaçant des lézards vivant dans le sable dans ce qu’ils ne rencontreraient jamais naturellement : du sable avec de l’air soufflant à travers. Ils ont observé que les lézards au corps court et aux pattes fortes étaient obligés de se tortiller pour sortir, dans un mouvement connu sous le nom de « nage terrestre ». Essentiellement, ils ont réussi à inciter les lézards à utiliser la locomotion semblable à celle d’un serpent pour se déplacer, soutenant davantage l’existence d’un éventail de modèles de locomotion.

L’équipe a ensuite construit un modèle de robot pour étudier les avantages des mouvements corporels de type lézard et serpent chez les espèces de lézards intermédiaires. Connu sous le nom de modèle robophysique, le robot fonctionne comme un modèle physicien d’un système vivant qui peut également être utilisé pour faire varier des paramètres tels que la longueur des membres et la façon dont le corps du lézard traîne sur le sol. Avec de telles capacités, ils peuvent tester les prédictions de leur modèle théorique tout en acquérant une compréhension du système biologique.

L’équipe a ensuite construit un modèle de robot pour étudier les avantages des mouvements corporels de type lézard et serpent chez les espèces de lézards intermédiaires. Connu sous le nom de modèle robophysique, le robot fonctionne comme un modèle physicien d’un système vivant. Avec le robot, ils peuvent tester les prédictions de leur modèle théorique tout en acquérant des informations sur la biologie et la locomotion du lézard intermédiaire.

« Nous avons construit le modèle robophysique pour qu’il soit reconfigurable – nous pouvons faire varier la longueur des membres et changer la façon dont le robot lézard se propulse avec l’ajout et le retrait d’une plaque ventrale », a déclaré Tianyu Wang, un doctorat en robotique. étudiant et membre du laboratoire de Goldman. « Nous avons ensuite utilisé le robot pour exécuter des expériences similaires dans le sable tout en suivant ses mouvements et ses performances. »

Les chercheurs ont découvert que, lorsque plus de poids corporel était réparti sur le ventre plutôt que sur les membres, le mouvement du corps semblable à celui d’un serpent avait l’avantage évident d’amener les lézards là où ils devaient être, même pour les lézards aux pattes les plus fortes.

Dans l’ensemble, l’équipe a observé que le degré d’allongement du corps et de réduction des membres chez les lézards est directement lié à la façon dont les mouvements du corps et des membres sont coordonnés, indiquant un continuum étroitement lié entre les formes du corps et le style de locomotion. Les chercheurs ont même découvert que les membres minuscules étaient d’une grande utilité pour les lézards, non seulement pour la propulsion, mais aussi pour soulever leur ventre du sol.

Connaissances

Les découvertes des chercheurs leur ont permis de conclure que l’évolution n’agissait pas seulement pour allonger les corps ou raccourcir les membres, mais les deux, et d’une manière hautement coordonnée et fonctionnelle.

« Notre travail aide vraiment à expliquer pourquoi ces espèces intermédiaires sont capables de rivaliser avec d’autres espèces et de persister par elles-mêmes pendant des millions d’années », a déclaré Bergmann. « Ils n’évoluent pas pour ressembler à des serpents, mais sont des espèces complètement fonctionnelles avec leurs propres rôles écologiques. »

De plus, les roboticiens peuvent appliquer les concepts découverts dans les travaux des chercheurs. Par exemple, en utilisant les découvertes du laboratoire de Goldman, les roboticiens ont créé des robots inspirés des serpents, des lézards et des amphibiens qui pourraient un jour être utilisés dans les opérations de recherche et de sauvetage.

« Avec les modèles robophysiques, nous pouvons développer des principes qui peuvent également informer la prochaine génération de robots qui pourraient devoir ramper dans les décombres ou se déplacer dans des environnements extraterrestres comme la surface des lunes ou des planètes », a déclaré Goldman.

Enfin, un aspect important de l’étude était son approche multidisciplinaire. En prenant des vidéos d’un biologiste de l’évolution, en appliquant un logiciel de suivi de l’IA et de la mécanique géométrique pour comprendre le mouvement et en construisant un modèle robophysique pour tester son hypothèse, chaque étudiant a apporté son expertise individuelle pour répondre à la question de recherche.

« Je dois dire que c’était vraiment un projet génial dirigé par des étudiants », a déclaré Goldman.