Les pattes d’ours polaires détiennent-elles le secret d’une meilleure traction des pneus ? —

Pourquoi les ours polaires ?

L’équipe du projet comprenait Ali Dhinojwala, professeur HA Morton de science des polymères à la School of Polymer Science and Polymer Engineering, Nathaniel Orndorf, titulaire d’un doctorat en 2022. diplômé qui est maintenant employé en tant que scientifique principal des matériaux chez Bridgestone Americas, et Austin Garner, titulaire d’un doctorat en 2021. diplômé qui est maintenant professeur adjoint de biologie à l’Université de Syracuse. Le projet a commencé au plus fort de la pandémie, alors que les choses étaient bloquées.

“Nous avions un projet en cours depuis de nombreuses années axé sur la glace ; nous examinions le frottement des matériaux et nous étions intéressés par ce sujet car nous sommes à Akron et nos partenaires nationaux ont besoin de développer des pneus avec une forte adhérence sur la route dans la glace. et les conditions d’enneigement », a déclaré Dhinojwala. “Nate s’est intéressé à la façon dont la nature s’est adaptée à cette solution pour la neige. L’exemple qui lui est venu à l’esprit était celui des ours polaires – et la recherche a commencé à partir de là.”

Le projet était très interdisciplinaire, combinant des approches et des techniques issues à la fois de la recherche biologique et des matériaux. Orndorf et Dhinojwala sont des scientifiques des polymères qui intègrent la biologie dans leurs recherches, tandis que Garner est un biologiste animalier qui intègre la science des matériaux dans ses recherches.

L’idée était de regarder les coussinets des pattes des ours polaires. En examinant la littérature plus ancienne, l’équipe a découvert que des travaux antérieurs étudiaient les microstructures (papilles, les petites bosses sur le coussinet du pied) des pattes d’ours polaire et affirmaient que les papilles étaient des adaptations pour une meilleure traction sur la neige. Les études précédentes n’incluaient pas d’autres espèces d’ours, Garner a donc aidé à identifier deux espèces étroitement liées à l’ours polaire (l’ours brun et l’ours noir américain) et une parente éloignée (l’ours du soleil) à inclure dans l’étude.

“Le calme du laboratoire pendant le COVID m’a donné l’opportunité de me connecter avec une variété de scientifiques et d’écologistes à travers le pays”, a déclaré Orndorf. “J’ai contacté des musées, des taxidermistes et bien d’autres pour collecter et voir de vrais échantillons et des répliques de coussinets de pattes d’ours.”

Orndorf et Garner ont ensuite préparé les échantillons de coussinets de patte des ours et les ont imagés à l’aide d’un microscope électronique à balayage. L’équipe a également créé des impressions 3D des structures pour faire varier le diamètre et la hauteur des éléments. Ils ont ensuite été testés dans la neige en laboratoire pour voir comment ils réagissaient aux conditions.

Ce que l’équipe a découvert, c’est que tous les ours (à l’exception des ours malais) ont des papilles sur leurs pattes, mais que les papilles des ours polaires étaient plus grandes – jusqu’à 1,5 fois. Et que les papilles plus hautes des ours polaires aident à augmenter la traction sur la neige par rapport aux plus courtes. Même si les ours polaires ont des coussinets de pattes plus petits que les autres espèces (probablement en raison d’une plus grande couverture de fourrure pour la conservation de la chaleur), les papilles plus hautes des ours polaires compensent leurs coussinets de pattes plus petits, ce qui leur donne une augmentation de 30 à 50 % de la contrainte de cisaillement par frottement. .

“Les papilles ne sont pas uniques aux ours polaires. Travaux antérieurs [in that area] ont fait l’hypothèse implicite que les papilles elles-mêmes sont des adaptations pour une meilleure traction sur la neige sans étudier les coussinets des pattes d’autres ours. C’était fascinant pour nous de découvrir que les autres ours nord-américains en avaient aussi et que les caractéristiques physiques des papilles sont ce qui compte pour la traction sur la neige », a déclaré Garner.

Impact sur la motricité

Maintenant que la recherche a été publiée, d’autres scientifiques et fabricants peuvent examiner son application à leurs projets spécifiques.

“Si vous regardez les pneus neige, vous verrez qu’ils ont des bandes de roulement plus profondes, mais cette recherche pourrait également montrer différentes façons de les concevoir qui pourraient avoir un impact plus important”, a déclaré Dhinojwala.

Mais l’intérêt ne concerne pas que les manufacturiers de pneumatiques. “Les particuliers qui font de l’escalade en haute altitude sont intéressés par cette recherche, les entreprises spécialisées dans la livraison de marchandises par mauvais temps aimeraient avoir une meilleure adhérence, etc.” il ajouta.

Les mêmes expériences pourraient également être réalisées sur des animaux tels que des chiens, des loups, des renards et des chèvres de montagne pour déterminer si des profils spécifiques de rugosité de surface induits par la neige/la glace sont présents chez différents animaux, [TE1] ou si la nature a développé différents profils de rugosité de surface afin d’augmenter la traction sur la glace et la neige, et quel profil a les meilleures performances.

S’appuyer sur les recherches antérieures

Ce n’est pas la première recherche menée dans le domaine de la traction ou de l’adhérence chez UA. Dans le cadre du Centre de recherche sur le biomimétisme (BRIC) de l’Université d’Akron, et en collaboration avec des membres du corps professoral du programme BRIC, Dhinojwala et son équipe ont examiné l’adhérence du gecko, la soie d’araignée, l’adhérence des moules et les couleurs structurelles inspirées par les oiseaux et d’autres organismes. Ses recherches sont soutenues par la National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research and Industries.

Son équipe continue de se pencher sur la glace — comment se forme la glace, l’adhérence de la glace, etc. Des recherches très utiles pour les industries automobile et aéronautique. Ses étudiants viennent de commencer à travailler avec la NASA sur un projet financé par une subvention dans ce domaine.

“C’est excitant de donner à nos étudiants des projets de recherche aussi intéressants”, a déclaré Dhinojwala. “Ils sont un atout pour notre équipe, et beaucoup continuent d’être d’excellents partenaires de recherche après avoir quitté UA.”

“Le programme de doctorat intégré en biosciences de l’UA a fourni des expériences de recherche interdisciplinaires exceptionnelles qui ont été formatrices dans mon développement en tant que chercheur – cette collaboration en était certainement une”, a déclaré Garner. “Ce fut une expérience particulièrement unique pour moi car la plupart de mes travaux antérieurs s’étaient concentrés sur la façon dont les petits lézards, comme les geckos, s’attachent aux surfaces. C’était donc une opportunité passionnante et enrichissante d’appliquer mes compétences et mon expertise existantes à de grands mammifères comme ours.”