Au début de la pandémie, Víctor Ortega-Jiménez explorait des ruisseaux près de chez lui et observait des collemboles. Les organismes sont les hexapodes non-insectes les plus abondants sur terre, et Ortega-Jiménez soupçonnait que leur évitement des prédateurs avait quelque chose à voir avec leur capacité à sauter à la surface de l’eau et à atterrir parfaitement au même endroit.
Ortega-Jiménez a ramené l’hypothèse dans son laboratoire de la School of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) de Georgia Tech. En utilisant une combinaison de modélisation informatique et robophysique, ainsi que des expériences de dynamique des fluides, les chercheurs ont pu voir pour la première fois la mécanique du mouvement du collembole. Ils ont déterminé comment les collemboles contrôlent leur saut, se redressent dans les airs et atterrissent sur leurs pieds – le tout en un clin d’œil – les sauvant efficacement des prédateurs.
« Ces organismes extraordinaires à la morphologie unique vivent dans un endroit très précaire : la surface de l’eau », a déclaré Saad Bhamla, professeur adjoint au ChBE. « Ainsi, lorsqu’ils sautent et atterrissent sur l’eau, nous devons comprendre les effets à la fois de l’hydrodynamique et de l’aérodynamique. Comment ils atterrissent parfaitement sur leurs pieds presque à chaque fois à la surface de l’eau était le casse-tête que nous avons résolu dans cet article. «
Ortega-Jiménez, Bhamla et leurs collaborateurs ont présenté cette recherche dans « Directional Takeoff, Aerial Righting, and Adhesion Landing of Semiaquatic Springtails », publié dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
Comprendre les collemboles
Les chercheurs ont découvert que les collemboles réussissaient si bien en raison de leur posture et surtout de leurs appendices uniques pour le saut et l’adhérence. Tout d’abord, ils ajustent l’angle de leur organe sauteur, la furcula, lorsqu’ils décollent. Ensuite, ils changent leur posture dans les airs en une forme en U qui crée un couple aérodynamique, les redressant efficacement 20 millisecondes après le saut, le plus rapide de tous les organismes sans ailes. Ils se posent sur un collophore, un appendice particulier au collembole qui retient l’eau.
Les collemboles font partie de la famille des collemboles, des organismes connus pour avoir un collophore hydrophile, une structure en forme de tube qui contient une goutte d’eau et peut adhérer aux surfaces. Les chercheurs ont déterminé que ce collophore est essentiel pour que le collembole glisse à la surface de l’eau et atterrisse efficacement sur ses pattes sans rebondir. Avec une imagerie à grande vitesse et un modèle mathématique de force d’oscillateur hydrodynamique – utilisant la tension superficielle, l’inertie, la flottabilité, la traînée, la dissipation capillaire et les forces d’adhérence – les chercheurs ont calculé comment le collembole tire parti de son collophore pour des atterrissages stables qui libèrent de l’énergie par ondes capillaires .
« Personne n’a jamais montré expérimentalement à quoi sert vraiment le collophore, et nous montrons que c’est pour leur survie », a déclaré Ortega-Jiménez. « Ils en ont besoin pour la stabilité, contrôler leur décollage mais surtout comment atterrir parfaitement comme un acrobate. »
Après avoir observé le saut, les chercheurs ont découvert que les collemboles pouvaient contrôler leur angle de décollage et leur vitesse. Ils l’ont décomposé en un modèle mathématique pour déterminer la précision de ces sauts dans une simulation informatique. Le modèle a suggéré que si les collemboles peuvent contrôler l’angle de leur corps, ils peuvent glisser à la surface de l’eau avec leur collophore, validant les observations expérimentales d’Ortega.
Les chercheurs ont exploré la capacité d’auto-redressement des collemboles en utilisant des collemboles morts et vivants dans une soufflerie, ainsi qu’en utilisant des modèles physiques de chute libre. Ils ont découvert que la posture en forme de U des collemboles et une gouttelette collectée par le collophore créent un atterrissage parfait.
« Ce travail montre à quel point le mouvement contrôlé est important pour l’évasion et la survie des prédateurs », a déclaré Kathryn Dickson, directrice de programme à la National Science Foundation, qui a partiellement financé la recherche. « Les collemboles n’auraient pas pu devenir l’hexapode non insecte le plus abondant sans pouvoir contrôler leur réponse d’évasion de type gymnaste. En plus d’être fascinante à regarder, cette nouvelle compréhension de la biomécanique de la façon dont les collemboles contrôlent leur saut, leur rotation dans les airs, et atterrir en toute sécurité sur l’eau pourrait conduire à des avancées dans des domaines allant de la robotique à l’aérodynamique. »
Ensuite, les chercheurs ont construit de petits robots pour reproduire leurs observations expérimentales et informatiques dans un environnement physique en collaboration avec l’équipe du professeur Jesung-Koh de l’Université Ajou en Corée du Sud.
« Cela a été un défi majeur pour les robots sauteurs, en particulier à petite échelle, de contrôler leur orientation dans les airs pour atterrir et sauter », a déclaré Koh. « La découverte de cette recherche pourrait inspirer des robots sauteurs à l’échelle des insectes capables d’atterrir en toute sécurité et d’étendre la capacité des robots sur de nouveaux terrains, tels que les surfaces d’eau libre des lacs et des océans de notre planète. »
Les chercheurs ont créé un petit robot avec des clapets de traînée pour valider les observations selon lesquelles un collophore et une forme de corps sont nécessaires pour atterrir.
« Nous montrons dans trois cas différents que le robot natif devient incontrôlable et atterrit de manière imprévisible », a déclaré Bhamla. « Mais au fur et à mesure que vous ajoutez chacun de ces incréments, comme les clapets de traînée, nous démontrons que le robot peut atteindre la stabilité et atterrir sur ses pieds. »
Le robot a un taux de réussite de 75 %, par rapport au taux de réussite de 85 % du collembole, ce qui rend les résultats significatifs. Mais les résultats pourraient avoir des implications pour plus que les collemboles.
« Nous ouvrons maintenant cette boîte de Pandore de ce que les petits animaux peuvent faire », a déclaré Ortega-Jiménez. « Il y a une croyance que parce qu’ils sont minuscules, ils n’ont pas autant de contrôle que les grands animaux. Nous ouvrons donc certaines possibilités de contrôle à cette petite échelle qui pourraient donner un aperçu des origines du vol dans les organismes. »
Plus d’information:
Ortega-Jimenez, Victor M., Décollage directionnel, redressement aérien et atterrissage par adhérence des collemboles semi-aquatiques, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2211283119. doi.org/10.1073/pnas.2211283119