Les robots construits par des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego ont contribué à réaliser une avancée majeure dans la compréhension de l’évolution du vol des insectes, décrite dans le numéro du 4 octobre 2023 de la revue. Nature. L’étude est le résultat d’une collaboration de six ans entre des roboticiens de l’UC San Diego et des biophysiciens du Georgia Institute of Technology.
Les résultats se concentrent sur la manière dont les deux modes de vol différents ont évolué chez les insectes. La plupart des insectes utilisent leur cerveau pour activer leurs muscles de vol à chaque coup d’aile, tout comme nous activons les muscles de nos jambes à chaque foulée. C’est ce qu’on appelle le vol synchrone. Mais certains insectes, comme les moustiques, sont capables de battre des ailes sans que leur système nerveux commande chaque coup d’aile. Au lieu de cela, les muscles de ces animaux s’activent automatiquement lorsqu’ils sont étirés. C’est ce qu’on appelle le vol asynchrone. Le vol asynchrone est courant chez certains insectes des quatre principaux groupes d’insectes, leur permettant de battre des ailes à grande vitesse, permettant par exemple à certains moustiques de battre des ailes plus de 800 fois par seconde.
Pendant des années, les scientifiques ont supposé que les quatre groupes d’insectes – les abeilles, les mouches, les coléoptères et les véritables insectes (hémiptères) – évoluaient tous séparément de manière asynchrone. Cependant, une nouvelle analyse réalisée par l’équipe de Georgia Tech conclut que le vol asynchrone a en réalité évolué ensemble au sein d’un ancêtre commun. Ensuite, certains groupes d’espèces d’insectes sont revenus au vol synchrone, tandis que d’autres sont restés asynchrones.
La découverte selon laquelle certains insectes, tels que les papillons de nuit, ont évolué d’un vol synchrone à un vol asynchrone, puis sont revenus à un vol synchrone, a conduit les chercheurs sur une voie d’investigation qui a nécessité des expériences sur les insectes, les robots et les mathématiques. Cette nouvelle découverte évolutive a posé deux questions fondamentales : les muscles des papillons de nuit présentent-ils des signatures de leur asynchronie antérieure et comment un insecte peut-il conserver à la fois des propriétés synchrones et asynchrones dans ses muscles tout en étant capable de voler ?
Le spécimen idéal pour étudier ces questions d’évolution synchrone et asynchrone est le Hawkmoth. C’est parce que les papillons utilisent le vol synchrone, mais les archives évolutives nous disent qu’ils ont des ancêtres avec un vol asynchrone.
Les chercheurs de Georgia Tech ont d’abord cherché à mesurer si des signatures d’asynchronie pouvaient être observées dans le muscle Hawkmoth. Grâce à la caractérisation mécanique du muscle, ils ont découvert que les Hawkmoths conservent les caractéristiques physiques des muscles de vol asynchrone, même s’ils ne sont pas utilisés.
Comment un insecte peut-il avoir à la fois des propriétés synchrones et asynchrones tout en volant ? Pour répondre à cette question, les chercheurs ont réalisé que l’utilisation de robots leur permettrait de réaliser des expériences qui ne pourraient jamais être réalisées sur des insectes. Par exemple, ils pourraient équiper les robots de moteurs capables d’émuler des combinaisons de muscles asynchrones et synchrones et tester quelles transitions auraient pu se produire au cours des millions d’années d’évolution du vol.
Les travaux mettent en évidence le potentiel de la robophysique, la pratique consistant à utiliser des robots pour étudier la physique des systèmes vivants, a déclaré Nick Gravish, professeur de génie mécanique et aérospatial à la Jacobs School of Engineering de l’UC San Diego et l’un des auteurs principaux de l’article.
« Nous avons pu comprendre comment la transition entre le vol asynchrone et synchrone pourrait se produire », a déclaré Gravish. « En construisant un robot à ailes battantes, nous avons contribué à apporter une réponse à une question évolutive en biologie. »
Essentiellement, si vous essayez de comprendre comment les animaux – ou d’autres choses – se déplacent dans leur environnement, il est parfois plus facile de construire un robot ayant des caractéristiques similaires à ces choses et se déplaçant dans le même environnement, a déclaré James Lynch, qui a obtenu son diplôme. doctorat dans le laboratoire de Gravish et est l’un des principaux co-auteurs de l’article.
« L’une des plus grandes découvertes évolutives ici est que ces transitions se produisent dans les deux sens et qu’au lieu de multiples origines indépendantes du muscle asynchrone, il n’y en a en réalité qu’une seule », a déclaré Brett Aiello, professeur adjoint de biologie à l’université de Seton Hill et un des chercheurs. des co-premiers auteurs. Il a réalisé le travail de son étude alors qu’il était chercheur postdoctoral dans le laboratoire du professeur Simon Sponberg de Georgia Tech. « À partir de cette origine indépendante, plusieurs révisions vers la synchronisation ont eu lieu. »
Construire des modèles robotiques-physiques d’insectes
Lynch et le co-premier auteur Jeff Gau, titulaire d’un doctorat. étudiant à Georgia Tech, ont travaillé ensemble pour étudier les papillons et prendre des mesures de leur activité musculaire dans des conditions de vol. Ils ont ensuite construit un modèle mathématique des mouvements de battement des ailes du papillon.
Lynch a ramené le modèle à l’UC San Diego, où il a traduit le modèle mathématique en algorithmes de commandes et de contrôle qui pourraient être envoyés à un robot imitant une aile de papillon. Les robots qu’il a construits se sont révélés bien plus gros que des papillons de nuit et, par conséquent, plus faciles à observer. En effet, en physique des fluides, un très gros objet se déplaçant très lentement dans un milieu plus dense – dans ce cas, l’eau – se comporte de la même manière qu’un très petit objet se déplaçant beaucoup plus rapidement dans un milieu plus mince – dans ce cas, l’air.
« Nous avons redimensionné ce robot de manière dynamique afin que ce robot beaucoup plus grand se déplaçant beaucoup plus lentement soit représentatif d’une aile beaucoup plus petite se déplaçant beaucoup plus rapidement », a déclaré Lynch.
L’équipe a fabriqué deux robots : un grand robot à clapet inspiré d’un papillon de nuit pour mieux comprendre le fonctionnement des ailes, qu’ils ont déployées dans l’eau. Ils ont également construit un robot à clapet beaucoup plus petit qui fonctionnait dans l’air (sur le modèle du robot-abeille de Harvard).
Constatations, défis et prochaines étapes
Les expériences de robot et de modélisation ont aidé les chercheurs à tester comment un insecte pouvait passer d’un vol synchrone à un vol asynchrone. Par exemple, les chercheurs ont pu créer un robot doté de moteurs capables de combiner le vol synchrone et asynchrone et voir s’il serait réellement capable de voler. Ils ont découvert que dans de bonnes circonstances, un insecte pouvait passer progressivement et en douceur d’un mode à l’autre.
« Les expériences sur les robots ont fourni une voie possible pour cette évolution et cette transition », a déclaré Gravish.
Lynch a rencontré plusieurs défis, notamment la modélisation de l’écoulement des fluides autour des robots et la modélisation de la propriété de rétroaction du muscle de l’insecte lorsqu’il est étiré. Lynch a pu résoudre ce problème en simplifiant le modèle autant que possible tout en s’assurant qu’il reste précis. Après plusieurs expériences, il s’est également rendu compte qu’il lui faudrait ralentir les mouvements des robots pour les maintenir stables.
Du point de vue de la robotique, les prochaines étapes consisteront à travailler avec des scientifiques des matériaux pour équiper les clapets de matériaux de type musculaire.
En plus de contribuer à clarifier l’évolution et la biophysique du vol des insectes, ces travaux présentent des avantages pour la robotique. Les robots équipés de moteurs asynchrones peuvent s’adapter et réagir rapidement à l’environnement, par exemple lors d’une rafale de vent ou d’une collision d’ailes, a déclaré Gravish. La recherche pourrait également aider les roboticiens à concevoir de meilleurs robots dotés d’ailes battantes.
« Ce type de travail pourrait contribuer à ouvrir la voie à une nouvelle ère de systèmes d’ailes battantes réactifs et adaptatifs », a déclaré Gravish.
