Des chercheurs de l’Université de Bristol et de Diamond Light Source ont découvert comment les papillons de nuit créent un puissant manteau furtif empêchant la détection par le biosonar. Ce travail (Bio-Inspired Urban Adaptations: What Insects Can Teach Us About Dealing with Noise) a été dirigé par le professeur Marc Holderied, professeur de biologie sensorielle, écologiste sensoriel et bio-acousticien.
Il a consacré plus de 20 ans à l’étude des chauves-souris et à leur extraordinaire capacité à naviguer et à attraper des proies grâce à l’écholocation. Tirant les leçons d’une cape furtive anti-écholocation qu’il a découverte dans le monde des insectes, il s’est maintenant lancé dans une mission de développement d’absorbeurs de son bio-inspirés pour aider à rendre le monde plus silencieux et plus sain.
En exploitant les propriétés ingénieuses des ailes de papillon de nuit, il est possible de créer un absorbeur de son qui offre une absorption élevée avec un encombrement minimal. L’objectif est d’améliorer les conditions de vie, car ces absorbants acoustiques inspirés des papillons de nuit peuvent être 90 % plus fins et plus légers que les solutions existantes, mettant à portée de main des matériaux exotiques comme le papier peint insonorisant.
Le professeur Holderied explique : « L’évolution de l’écholocation des chauves-souris et la façon dont d’autres organismes y réagissent ont été au centre de mon travail. Mon équipe et moi étudions comment les organismes ont développé des échos qui répondent à leurs besoins. Tout comme la plupart des fleurs utilisent la couleur pour attirer leur insecte. et les pollinisateurs d’oiseaux, nous avons constaté que les fleurs pollinisées par les chauves-souris diffusent l’équivalent acoustique de la couleur dans leurs échos floraux.Actuellement, nous examinons comment les insectes nocturnes sans oreilles peuvent compter sur le camouflage acoustique contre les chauves-souris, démontrant la course aux armements acoustique complexe entre les prédateurs et proie. »
Animation 3D d’une aile de papillon de nuit. Crédit : Université de Bristol
Une découverte captivante de la recherche du professeur Holderied tourne autour de la remarquable adaptation des papillons de nuit, en particulier des papillons de soie. Ces insectes volants de nuit manquent de mécanismes défensifs plus typiques comme les oreilles sensibles aux ultrasons, au lieu de cela, ils s’appuient uniquement sur le camouflage acoustique fourni par leur corps poilu et la fine couche d’écailles qui se chevauchent sur leurs ailes.
L’enlèvement de la fourrure ou des écailles rend leurs échos plus forts. Cela signifie que la fourrure et les écailles absorbent les sons utilisés par les chauves-souris, créant une puissante cape furtive contre la détection par le biosonar et une défense acoustique fascinante.
« De plus », explique le professeur Holderied, « nous avons découvert que la fine couche d’écailles qui se chevauchent sur leurs ailes agit également comme un métamatériau acoustique – le seul connu dans la nature – avec des propriétés exceptionnelles d’insonorisation. Cette découverte recèle un énorme potentiel de reproduction cet absorbeur de son naturel exceptionnel dans les applications de contrôle du bruit qui peut profiter à tous. »
Reconnaissant l’impact significatif du bruit sur la santé humaine, en particulier dans les environnements urbains, le projet Enterprise Fellowship du professeur Holderied vise à développer une solution commerciale pour le contrôle du bruit bio-inspiré. Le bruit urbain est le deuxième risque environnemental pour la santé, entraînant des effets négatifs importants sur la santé et entraînant des coûts substantiels.
L’imagerie des ailes de papillon de nuit à Diamond Light Source, le synchrotron national du Royaume-Uni, a joué un rôle crucial dans la découverte de la structure micro et nano de ce métamatériau acoustique naturel qui crée ses propriétés acoustiques émergentes.
Le professeur Christoph Rau, chercheur principal sur les lignes de lumière chez Diamond, ajoute : « Nous avons récemment lancé l’imagerie ptychographique pour révéler comment la nano-porosité améliore encore les performances acoustiques des ailes de papillon. L’étude tridimensionnelle des papillons à différents niveaux de détail joue un rôle crucial, fournir une compréhension de la relation entre la structure et leurs propriétés acoustiques. Les propriétés d’absorption acoustique des écailles du papillon thoracique sont capables d’absorber environ les deux tiers de l’énergie sonore émise par leur prédateur, la chauve-souris, et augmentent considérablement la capacité de survie de l’insecte.
Pour cette étude, la branche I13-2 Diamond-Manchester a été utilisée, où avec la tomographie à contraste de phase en ligne, les moindres détails des structures ont été explorés, fournissant des données clés pour les simulations acoustiques. Ce travail est actuellement en cours d’extension pour étudier les propriétés acoustiques et structurelles des ailes.
L’architecture des ailes est extrêmement fine, une résolution à l’échelle nanométrique est donc nécessaire, liant la conception de l’aile à la capacité d’absorption acoustique. La deuxième branche de la ligne de lumière I13, la branche de cohérence I13-1, fournit des capacités d’imagerie à la résolution spatiale la plus élevée. Avec une méthode appelée ptychographie, le motif des ondes lumineuses de rayons X diffusées est reconstruit et n’est pas contraint par la résolution des détecteurs ou de l’optique à rayons X.
Cela fournit une capacité d’imagerie à haute résolution sans précédent, nécessaire pour la simulation des simulations acoustiques dans ce qui suit. Le scientifique principal de soutien, Kudakwashe Jakata, qui a récemment rejoint l’équipe I13, effectuant l’acquisition et les analyses de données, déclare : « Les données à haute résolution sont vraiment impressionnantes pour leur qualité. »
Dans l’ensemble, les capacités multi-échelles de la ligne de faisceau I13 pour l’imagerie et la cohérence fournissent une approche holistique pour identifier et comprendre les différentes structures d’absorption acoustique, protégeant les papillons de nuit de leurs prédateurs.
Au-delà de la lutte contre le bruit, le professeur Holderied insiste sur le rôle crucial de la biodiversité et sur la nécessité de défendre chaque organisme partageant notre habitat. Les insectes, y compris les papillons de nuit, font partie intégrante des écosystèmes, contribuant à la stabilité et portant des adaptations ingénieuses. La perte de biodiversité diminue nos chances de découvrir et d’apprendre des inventions remarquables de la nature. En favorisant la prise de conscience et l’appréciation de la diversité de la vie, nous pouvons assurer une coexistence harmonieuse avec le monde naturel.
Les travaux du professeur Holderied sur les absorbeurs de son bio-inspirés mettent en valeur l’immense potentiel des adaptations de la nature pour résoudre des problèmes de santé complexes. Il croit qu’en adoptant les enseignements de la nature, nous pouvons débloquer une multitude de solutions pour un monde plus durable et harmonieux.