La crevette mante possède l’un des coups de poing les plus puissants et ultrarapides de la nature, c’est à égalité avec la force générée par une balle de calibre .22. Cela fait de la créature un objet d’étude attrayant pour les scientifiques désireux d’en savoir plus sur la biomécanique pertinente. Entre autres utilisations, cela pourrait conduire à de petits robots capables de mouvements tout aussi rapides et puissants. Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université de Harvard a mis au point un nouveau modèle biomécanique pour le puissant appendice de la crevette-mante, et ils ont construit un petit robot pour imiter ce mouvement, selon un article récent publié dans les Actes de la National Academy of Sciences (PNAS ).

« 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 atteint par des appareils fabriqués par l’homme », a déclaré l’auteur principal Robert Wood, roboticien à la John A. Paulson School of Harvard University. Ingénierie et Sciences Appliquées (SEAS). « La vitesse et la force des frappes de crevettes mantes, par exemple, sont la conséquence d’un mécanisme sous-jacent complexe. En construisant un modèle robotique d’un appendice frappant une crevette mante, nous sommes en mesure d’étudier ces mécanismes avec des détails sans précédent. »

Le groupe de recherche de Wood a fait la une des journaux il y a plusieurs années lorsqu’ils ont construit RoboBee, un petit robot capable de voler partiellement sans attache. Le but ultime de cette initiative est de construire un essaim de minuscules robots interconnectés capables de voler de manière soutenue et sans attaches, un défi technologique important, étant donné la taille d’un insecte, qui modifie les différentes forces en jeu. En 2019, le groupe de Wood a annoncé la réalisation du robot à écailles d’insectes le plus léger à ce jour à avoir réalisé un vol soutenu et sans attache, une version améliorée appelée RoboBee X-Wing. (Kenny Breuer, écrivant dans Nature, l’a décrit comme un « tour de force de la conception et de l’ingénierie du système. »)

Maintenant, le groupe de Wood a tourné son attention vers la biomécanique du coup de poing de la crevette mante. Comme nous l’avons signalé précédemment, les crevettes mantis se présentent sous de nombreuses variétés différentes; il y a environ 450 espèces connues. Mais ils peuvent généralement être regroupés en deux types : ceux qui poignardent leur proie avec des appendices en forme de lance (« lanceurs ») et ceux qui écrasent leur proie (« briseurs ») avec de grandes griffes arrondies et en forme de marteau (« appendices raptor « ). Ces frappes sont si rapides (jusqu’à 23 mètres par seconde, ou 51 mph) et puissantes, qu’elles produisent souvent des bulles de cavitation dans l’eau, créant une onde de choc qui peut servir de frappe de suivi, étourdissant et parfois tuant la proie. Parfois, un coup peut même produire une sonoluminescence, les bulles de cavitation produisant un bref éclair de lumière lorsqu’elles s’effondrent.

Selon une étude de 2018, le secret de ce puissant coup de poing semble provenir non pas de muscles volumineux mais de la structure anatomique à ressort des bras de la crevette, semblable à un arc et des flèches ou à un piège à souris. Les muscles de la crevette tirent sur une structure en forme de selle dans le bras, l’amenant à se plier et à stocker l’énergie potentielle, qui est libérée avec le balancement de la griffe en forme de club. Il s’agit essentiellement d’un mécanisme de type loquet (techniquement, actionnement à ressort à médiation par loquet, ou LaMSA), avec de petites structures dans les tendons musculaires appelées sclérites servant de loquet.

Cela est bien compris, et il existe plusieurs autres petits organismes capables de produire des mouvements ultra-rapides grâce à un mécanisme de verrouillage similaire : les pattes de grenouilles et les langues de caméléons, par exemple, ainsi que les mandibules des fourmis à mâchoires pièges et les graines de plantes qui explosent. . Mais les biologistes qui étudient ces mécanismes depuis des années ont remarqué quelque chose d’inhabituel chez la crevette mante : un délai d’une milliseconde entre le moment où l’action de déverrouillage et d’accrochage se produit.

« 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 le co-premier auteur Nak-seung (Patrick) Hyun, chercheur postdoctoral à MER. « C’est comme si une souris déclenchait un piège à souris, mais au lieu de s’enclencher tout de suite, il y a eu un délai notable avant qu’elle ne s’enclenche. Il existe évidemment un autre mécanisme qui maintient l’appendice en place, mais personne n’a été capable de comprendre analytiquement comment fonctionne l’autre mécanisme.

Les crevettes Mantis manquent de muscles spéciaux pour produire des accélérations aussi rapides, de sorte que les biologistes ont suggéré que les sclérites ne sont responsables que du déverrouillage initial, tandis que la géométrie de la structure du bras sert de verrou secondaire qui contrôle le mouvement du bras. « L’idée est que la conception de la liaison elle-même est telle que vous pouvez réellement stocker de l’énergie et la libérer avec un seul mouvement d’entrée », a déclaré à Ars la co-première auteur Emma Steinhardt. « C’est ce verrou géométrique qui libère toute l’énergie stockée. » Steinhardt, Hyun et leurs collègues co-auteurs ont entrepris de tester expérimentalement cette hypothèse.

Pour leur version robotisée de l’appendice crevette mante, ils se sont appuyés sur le processus de fabrication unique inspiré des livres pop-up (livre pop-up MEMS) que le groupe de Wood a utilisé pour construire RoboBee. Cela implique de découper des motifs à partir de feuilles plates, de les superposer et de coller les couches avec de la colle, puis de les plier dans les formes souhaitées. Un type miniaturisé de « muscle artificiel » peut être fabriqué avec des actionneurs piézoélectriques, tandis que de fines charnières en plastique constituent d’excellentes articulations pour le mouvement de rotation. Ensuite, ils ont mené de nombreuses expériences dans l’air et dans l’eau avec deux conditions de charge différentes.

Ils ont pu identifier quatre phases de frappe distinctes et ont confirmé qu’en effet, c’est la géométrie du mécanisme qui produit l’accélération rapide après le déverrouillage initial par les sclérites. Les performances du petit mécanisme du robot n’étaient pas tout à fait celles d’une crevette-mante, mais l’appendice atteignait tout de même 26 mètres par seconde dans l’air, l’équivalent d’une voiture passant de 0 à 58 mph en seulement quatre millisecondes. Bien que ce ne soit pas aussi bon que l’animal réel, c’est quand même impressionnant.

Le milieu peut avoir de l’importance : une étude de l’année dernière a révélé que la crevette-mante frappe à la moitié de la vitesse de l’air, ce qui suggère que la crevette-mante peut contrôler avec précision son comportement de frappe, en fonction du milieu environnant. Selon Hyun, leurs expériences ont montré un soi-disant « effet de masse ajoutée » dans les expériences à base d’eau. « En mécanique des fluides, lorsque vous vous déplacez très rapidement, vous poussez en fait une masse plus lourde », a-t-il déclaré à Ars. Cet effet était faible dans les expériences RoboBee, car il fonctionne dans l’air, mais c’est une variable critique lors de la modélisation de l’impact de la crevette mante dans l’eau.

Le court délai entre le déverrouillage et l’enclenchement « est probablement une caractéristique cruciale permettant une utilisation répétée et extrême sans l’usure des mécanismes de verrouillage par contact », ont écrit les auteurs. À l’avenir, ils espèrent étendre leur stratégie consistant à combiner la modélisation physique et analytique pour en savoir plus sur d’autres espèces, telles que les mécanismes sous-jacents des fourmis pièges ou des grenouilles bondissantes.

« Cette étude illustre comment les collaborations interdisciplinaires peuvent générer des découvertes dans de multiples domaines », a déclaré la co-auteure Sheila Patek, biologiste 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 des impacts de crevettes-mantes et, plus largement, à découvrir comment les organismes et les systèmes synthétiques peuvent utiliser la géométrie pour contrôler un flux d’énergie extrême lors d’événements ultra-rapides et répétés. -utilisation, mouvements.

DOI : PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2026833118 (À propos des DOI).