Les méduses ne peuvent pas faire grand-chose à part nager, piquer, manger et se reproduire. Ils n’ont même pas de cerveau. Pourtant, ces créatures simples peuvent facilement voyager dans les profondeurs des océans d’une manière que les humains, malgré toute notre sophistication, ne peuvent pas faire.
Mais et si les humains pouvaient demander aux méduses d’explorer les océans à notre place et de rapporter ce qu’elles trouvent ? De nouvelles recherches menées à Caltech visent à faire de cela une réalité grâce à la création de ce que les chercheurs appellent des méduses robotiques biohybrides. Ces créatures, qui peuvent être considérées comme des cyborgs océaniques, complètent les méduses avec des appareils électroniques qui améliorent leur nage et un « chapeau » prothétique qui peut transporter une petite charge utile tout en permettant aux méduses de nager de manière plus rationalisée.
Le travail, publié dans la revue Bioinspiration & Biomimétique, a été menée dans le laboratoire de John Dabiri, professeur du centenaire d’aéronautique et de génie mécanique, et s’appuie sur ses travaux antérieurs sur l’augmentation des méduses. L’objectif de Dabiri avec cette recherche est d’utiliser les méduses comme collecteurs de données robotiques, en les envoyant dans les océans pour collecter des informations sur la température, la salinité et les niveaux d’oxygène, qui sont tous affectés par le changement climatique de la Terre.
« Il est bien connu que l’océan est essentiel pour déterminer notre climat présent et futur sur terre, et pourtant, nous en savons encore étonnamment peu sur l’océan, surtout loin de la surface », explique Dabiri. « Notre objectif est de faire enfin avancer les choses en adoptant une approche non conventionnelle inspirée par l’un des rares animaux à avoir déjà exploré avec succès l’ensemble de l’océan. »
Tout au long de sa carrière, Dabiri s’est inspiré du monde naturel, y compris des méduses, pour résoudre des défis d’ingénierie. Ce travail a commencé avec les premières tentatives du laboratoire de Dabiri pour développer un robot mécanique qui nageait comme une méduse, qui dispose de la méthode la plus efficace pour se déplacer dans l’eau de toute créature vivante.
Bien que son équipe de recherche ait réussi à créer un tel robot, celui-ci n’a jamais été capable de nager aussi efficacement qu’une vraie méduse. À ce moment-là, Dabiri s’est demandé : pourquoi ne pas simplement travailler avec les méduses eux-mêmes ?
Crédit : Institut de technologie de Californie
« Les méduses sont les premières exploratrices des océans, atteignant leurs recoins les plus profonds et s’épanouissant aussi bien dans les eaux tropicales que polaires », explique Dabiri. « Comme ils n’ont pas de cerveau ni la capacité de ressentir la douleur, nous avons pu collaborer avec des bioéthiciens pour développer cette application robotique biohybride d’une manière qui repose sur des principes éthiques. »
Auparavant, le laboratoire de Dabiri avait implanté dans des méduses une sorte de stimulateur électronique qui contrôle la vitesse à laquelle elles nagent. Ce faisant, ils ont découvert que s’ils faisaient nager les méduses plus vite que le rythme tranquille qu’elles suivent habituellement, les animaux devenaient encore plus efficaces. Une méduse nageant trois fois plus vite qu’elle ne le ferait normalement, ne consomme que deux fois plus d’énergie.
Cette fois, l’équipe de recherche est allée plus loin en ajoutant ce qu’elle appelle un avant-corps aux gelées. Ces avant-corps ressemblent à des chapeaux posés sur la cloche de la méduse (la partie en forme de champignon de l’animal). Les appareils ont été conçus par Simon Anuszczyk, étudiant diplômé et auteur principal, qui visait à rendre les méduses plus rationalisées tout en fournissant un endroit où les capteurs et autres appareils électroniques peuvent être transportés.
« Tout comme l’extrémité pointue d’une flèche, nous avons conçu des avant-corps imprimés en 3D pour rationaliser la cloche du robot méduse, réduire la traînée et augmenter les performances de nage », explique Anuszczyk. « En même temps, nous avons expérimenté l’impression 3D jusqu’à ce que nous soyons capables d’équilibrer soigneusement la flottabilité et de maintenir les méduses nageant verticalement. »
Pour tester les capacités de nage des gelées augmentées, le laboratoire de Dabiri a entrepris la construction d’un immense aquarium vertical à l’intérieur du laboratoire Guggenheim de Caltech. Dabiri explique que le réservoir à trois étages est haut plutôt que large, car les chercheurs souhaitent recueillir des données sur les conditions océaniques bien sous la surface.
« Dans l’océan, le trajet aller-retour depuis la surface jusqu’à plusieurs milliers de mètres prend quelques jours pour les méduses. Nous avons donc voulu développer une installation pour étudier ce processus en laboratoire », explique Dabiri. « Notre réservoir vertical permet aux animaux de nager contre un courant vertical, comme un tapis roulant pour les nageurs. Nous espérons que l’échelle unique de l’installation – probablement le premier tapis roulant vertical à eau de ce type – sera utile pour une variété d’autres activités de base et appliquées. questions de recherche. »
La vitesse de nage d’une méduse avec et sans avant-corps peut être comparée lorsqu’elle descend dans un réservoir d’eau à trois étages. (Réservoir pivoté de 90 degrés sur l’image) Crédit : Caltech
Les tests de natation effectués dans le bassin montrent qu’une méduse équipée d’une combinaison de stimulateur cardiaque et d’avant-corps peut nager jusqu’à 4,5 fois plus vite qu’une méduse entièrement naturelle tout en transportant une charge utile. Le coût total est d’environ 20 dollars par méduse, explique Dabiri, ce qui fait des gelées biohybrides une alternative intéressante à la location d’un navire de recherche dont l’exploitation peut coûter plus de 50 000 dollars par jour.
« En utilisant la capacité naturelle des méduses à résister aux pressions extrêmes des profondeurs océaniques et leur capacité à se nourrir en se nourrissant, notre défi technique est beaucoup plus facile à gérer », ajoute Dabiri. « Nous devons encore concevoir le capteur pour résister aux mêmes pressions d’écrasement, mais ce dispositif est plus petit qu’une balle molle, ce qui le rend beaucoup plus facile à concevoir qu’un véhicule sous-marin complet opérant à ces profondeurs.
« Je suis vraiment impatient de voir ce que nous pouvons apprendre en observant simplement ces parties de l’océan pour la toute première fois », ajoute-t-il.
Dabiri affirme que les travaux futurs pourraient se concentrer sur l’amélioration des capacités des gelées bioniques. À l’heure actuelle, ils ne peuvent nager plus vite qu’en ligne droite, comme les trajectoires verticales conçues pour la mesure des océans profonds. Mais des recherches plus approfondies pourraient également les rendre orientables, de sorte qu’ils puissent être dirigés aussi bien horizontalement que verticalement.
Plus d’information:
Simon R Anuszczyk et al, Amélioration électromécanique des méduses vivantes pour l’exploration des océans, Bioinspiration & Biomimétique (2024). DOI : 10.1088/1748-3190/ad277f