La recherche répond à des questions biologiques de longue date et ouvre la voie à des robots petits mais puissants


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    Les crevettes Mantis ont le punch le plus puissant de toutes les créatures du règne animal. Leurs appendices en forme de massue accélèrent plus vite qu’une balle d’un pistolet et un seul coup peut faire tomber le bras d’un crabe ou percer une coquille d’escargot. Ces crustacés petits mais puissants sont connus pour s’attaquer au poulpe et gagner.

    La façon dont les crevettes-mantes produisent ces mouvements mortels et ultra-rapides fascine depuis longtemps les biologistes. Les progrès récents de l’imagerie à grande vitesse permettent de voir et de mesurer ces frappes, mais certains mécanismes n’ont pas été bien compris.

    Maintenant, une équipe interdisciplinaire de roboticiens, d’ingénieurs et de biologistes a modélisé la mécanique du coup de poing de la crevette mante et a construit un robot qui imite le mouvement. La recherche met en lumière la biologie de ces crustacés pugnaces et ouvre la voie à des dispositifs robotiques petits mais puissants.

    La recherche est publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

    “Nous sommes fascinés par tant de comportements remarquables que nous voyons dans la nature, en particulier lorsque ces comportements atteignent ou dépassent ce qui peut être réalisé par des dispositifs fabriqués par l’homme”, a déclaré Robert Wood, professeur d’ingénierie et de sciences appliquées Harry Lewis et Marlyn McGrath à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et auteur principal de l’article. “La vitesse et la force des frappes de crevettes mantis, par exemple, sont la conséquence d’un mécanisme sous-jacent complexe. En construisant un modèle robotique d’un appendice de frappe de crevettes mantis, nous sommes en mesure d’étudier ces mécanismes avec des détails sans précédent.”

    De nombreux petits organismes – y compris les grenouilles, les caméléons et même certains types de plantes – produisent des mouvements ultra-rapides en stockant de l’énergie élastique et en la libérant rapidement grâce à un mécanisme de verrouillage, comme un piège à souris. Chez la crevette mante, deux petites structures incrustées dans les tendons des muscles appelées sclérites agissent comme le verrou de l’appendice. Dans un mécanisme à ressort typique, une fois le verrou physique retiré, le ressort libère immédiatement l’énergie stockée.

    Mais lorsque les sclérites se déverrouillent dans un appendice de crevette mante, il y a un délai court mais perceptible.

    “Lorsque vous regardez le processus de frappe sur une caméra ultra-rapide, il y a un délai entre le moment où les sclérites se libèrent et l’appendice se déclenche”, a déclaré Nak-seung Hyun, stagiaire postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de le papier. “C’est comme si une souris déclenchait un piège à souris, mais au lieu de s’enclencher tout de suite, il y avait un délai notable avant qu’elle ne se casse. Il y a évidemment un autre mécanisme qui maintient l’appendice en place, mais personne n’a été en mesure de comprendre analytiquement comment le autre mécanisme fonctionne.”

    “Nous savons que les crevettes mantis n’ont pas de muscles spéciaux par rapport aux autres crustacés, donc la question est, si ce ne sont pas leurs muscles qui créent les mouvements rapides, alors il doit y avoir un mécanisme mécanique qui produit les fortes accélérations”, a déclaré Emma Steinhardt, étudiant diplômé à SEAS et premier auteur de l’article.

    Les biologistes ont émis l’hypothèse que si les sclérites initient le déverrouillage, la géométrie de l’appendice lui-même agit comme un verrou secondaire, contrôlant le mouvement du bras pendant qu’il continue à stocker de l’énergie. Mais cette théorie n’avait pas été testée.

    L’équipe de recherche a d’abord testé cette hypothèse en étudiant les mécanismes de liaison du système, puis en construisant un modèle robotique physique. Une fois qu’ils ont eu le robot, l’équipe a pu développer un modèle mathématique du mouvement. Les chercheurs ont cartographié quatre phases distinctes de l’attaque de la mante, commençant par les sclérites verrouillées et se terminant par l’attaque réelle de l’appendice. Ils ont constaté qu’en effet, après le déverrouillage des sclérites, la géométrie du mécanisme prend le relais, maintenant l’appendice en place jusqu’à ce qu’il atteigne un point de sur-centrage, puis le verrou se libère.

    “Ce processus contrôle la libération de l’énergie élastique stockée et améliore en fait la sortie mécanique du système”, a déclaré Steinhardt. “Le processus de verrouillage géométrique révèle comment les organismes génèrent une accélération extrêmement élevée dans ces mouvements de courte durée, comme les coups de poing.”

    Les chercheurs ont imité ce processus dans un robot à l’échelle d’une crevette de 1,5 gramme. Alors que le robot n’a pas atteint la vitesse d’une crevette mante, sa vitesse a atteint 26 mètres par seconde dans l’air – avec une accélération équivalente à une voiture atteignant 58 mph en quatre millisecondes. L’appareil est plus rapide que tous les appareils similaires à la même échelle à ce jour.

    “Cette étude illustre comment les collaborations interdisciplinaires peuvent produire des découvertes dans de multiples domaines”, a déclaré la co-auteure Sheila Patek, professeure de biologie à l’Université Duke. “Le processus de construction d’un modèle physique et de développement du modèle mathématique nous a amenés à revoir notre compréhension de la mécanique de frappe des crevettes mantis et, plus largement, à découvrir comment les organismes et les systèmes synthétiques peuvent utiliser la géométrie pour contrôler le flux d’énergie extrême pendant des périodes ultra-rapides et répétées. -utilisation, mouvements.”

    Cette approche consistant à combiner des modèles physiques et analytiques pourrait aider les biologistes à comprendre et les roboticiens à imiter certains des autres exploits extraordinaires de la nature, tels que la façon dont les fourmis à mâchoires pièges cassent leurs mâchoires si rapidement ou comment les grenouilles se propulsent si haut.

    Cette recherche a été co-écrite par Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen et Fatma Zeynep Temel. Il a été soutenu par le laboratoire de recherche de l’armée américaine et le bureau de recherche de l’armée américaine sous le numéro de contrat/subvention W911NF1510358.

    Houssen Moshinaly

    Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009.

    Blogueur et essayiste, j'ai écrit 9 livres sur différents sujets comme la corruption en science, les singularités technologiques ou encore des fictions. Je propose aujourd'hui des analyses politiques et géopolitiques sur le nouveau monde qui arrive. J'ai une formation de rédaction web et une longue carrière de prolétaire.

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