Des chercheurs ont construit un gecko-bot pour étudier comment les geckos planent et s’écrasent

Il y a rarement le temps d’écrire sur toutes les histoires scientifiques intéressantes qui se présentent à nous. Ainsi, cette année, nous présentons à nouveau une série spéciale de publications sur les Douze jours de Noël, mettant en lumière une histoire scientifique qui est tombée à l’eau en 2020, chaque jour du 25 décembre au 5 janvier. Aujourd’hui : des geckos asiatiques à queue plate glissant dans les sauvages utilisent leur queue pour stabiliser l’atterrissage après être entrés en collision tête première dans des troncs d’arbres.

Les exemples d’animaux planeurs ne manquent pas : les écureuils volants, par exemple, mais aussi certains serpents, lézards et grenouilles. Nous pouvons maintenant ajouter des geckos à cette liste. Selon un article publié en septembre dans la revue Nature Communications Biology, les chercheurs ont capturé des geckos asiatiques à queue plate planant dans la nature sur une vidéo à grande vitesse et ont découvert qu’ils utilisaient leur queue pour stabiliser l’atterrissage après être entrés en collision tête première dans des troncs d’arbres. Ils ont vérifié la biomécanique en construisant un mini gecko-bot et en simulant le comportement de glisse en laboratoire.

Comme nous l’avons signalé précédemment, le petit gecko est capable de prouesses de locomotion extraordinaires, se faufilant facilement le long des murs verticaux et même parcourant de courtes distances à travers l’eau. La manière précise dont ils accomplissent ces exploits intéresse depuis longtemps les scientifiques. Par exemple, les geckos sont connus pour être des grimpeurs experts, capables de coller à n’importe quelle surface grâce aux minuscules structures ressemblant à des cheveux sur la plante de leurs pieds. Les petits lézards peuvent également filer le long de la surface de l’eau à grande vitesse pour échapper aux prédateurs. Ils ne peuvent pas le faire très longtemps ; la dépense énergétique nécessaire est trop importante.

Une étude de 2018 a révélé que les lézards de la taille d’une souris utilisaient une combinaison de tension superficielle et d’un mouvement de claquement pour courir sur l’eau. L’année dernière, les chercheurs ont compris la question fondamentale de savoir pourquoi les geckos ont autant d’orteils. Il semble que la capacité des geckos à réorienter leurs orteils flexibles soit un facteur majeur pour leur permettre de se réaligner et de s’adapter aux changements de gravité (charge).

Ces deux études sont sorties du laboratoire de l’Université de Californie, le biophysicien de Berkeley Robert Full, qui est également co-auteur de ce dernier article. Cette fois-ci, Full et ses collègues co-auteurs – Ardian Jusufi et Rob Siddall, tous deux du Max Planck Institute for Intelligent Systems de Stuttgart, en Allemagne, et Greg Byrnes du Siena College – ont été intrigués par les rapports de terrain sur le vol à voile de geckos à queue plate. et le parachutisme, bien que ce comportement n’ait jamais été étudié quantitativement. Des recherches antérieures avaient placé des geckos dans une soufflerie et ont découvert que les animaux pouvaient en effet glisser en douceur, utilisant souvent leur queue pour aider leur corps à tourner dans les airs.

Sur cette base, les auteurs ont émis l’hypothèse que le gecko à queue plate asiatique ne glisserait pas seulement en douceur dans son habitat naturel, il utiliserait également sa queue pour tourner et manœuvrer vers le site d’atterrissage choisi. Cette espèce vit dans les arbres et est capable de sauter plusieurs mètres d’un tronc d’arbre à l’autre, généralement pour éviter les prédateurs. Jusufi a suggéré de mener des expériences avec ces geckos dans une réserve faunique des forêts tropicales de Singapour.

Tout d’abord, ils ont collecté plusieurs geckos (avec et sans queue). Ils ont installé une plate-forme à plusieurs mètres du sol, d’où les geckos sautaient et planaient vers un arbre voisin. Des caméras à grande vitesse ont enregistré les sauts en vol plané, révélant qu’un gecko sauteur typique peut atteindre des vitesses d’environ 6 mètres par seconde (environ 13,4 miles par heure).

Ces geckos avec des queues étaient capables d’atterrir systématiquement sur le tronc cible sans tomber, tandis que ceux sans queue ne pouvaient pas maintenir leur adhérence après l’atterrissage. L’équipe s’attendait à ce que les geckos effectuent un atterrissage en « collision contrôlée », un peu comme les lézards volants. Au lieu de cela, les geckos se sont littéralement écrasés la tête la première dans les troncs d’arbres, utilisant leur queue pour stabiliser l’atterrissage.

« Nos tentatives de filmer le petit lézard camouflé dans la forêt tropicale ont révélé une réponse antichute que personne ne pensait que ces geckos pouvaient faire et nous ont montré que leurs queues étaient entièrement sous-estimées », a déclaré Jusufi. « Auparavant, les queues de contact étaient censées être utilisées pour maintenir l’adhérence pendant course rapide au mur, tandis que les résultats présentés ici suggèrent que les geckos présentent une exaptation du comportement pour améliorer le succès de l’atterrissage à la suite de leur descente aérienne dirigée.

Plus précisément, lorsqu’un gecko s’écrase, il plie son torse vers l’arrière pour amortir l’impact, parfois jusqu’à 100 degrés. Cela signifie que les pieds avant perdent leur emprise, les jambes arrière s’accrochant pour la vie. Lorsque le gecko recule, il pousse également sa queue dans le tronc pour aider à dissiper l’énergie de la collision. Essentiellement, la queue sert de cinquième patte, aidant à stabiliser l’animal après l’atterrissage. Les geckos qui avaient naturellement perdu leur queue ne pouvaient pas dissiper suffisamment d’énergie, c’est pourquoi ils sont tombés.

« Cette découverte de terrain sur le comportement de perchage des geckos a des implications importantes pour notre compréhension des queues en tant qu’appendices multifonctionnels sur lesquels les animaux peuvent compter », a déclaré Jusufi. « Allant des queues inertielles aux queues de contact, ils facilitent les transitions les plus extrêmes, comme du vol plané à la collision avec un mur. L’une des transitions les plus dramatiques à laquelle nous pouvons penser dans la locomotion multimodale est de se poser sur une surface verticale de haut -vol en plané rapide à l’arrêt. »

Pour vérifier leurs observations sur le terrain, l’équipe a construit un robot inspiré du gecko, avec un torse souple, quatre pieds souples avec des coussinets Velcro sur le bas et une queue détachable. Le robot était programmé pour plier sa queue lorsque son pied avant heurtait une surface. Un microcontrôleur situé sur l’épaule du robot active un moteur, provoquant un tendon pour pousser la queue dans le mur pour stabiliser l’atterrissage.

Les chercheurs ont utilisé une catapulte pour lancer le robot vers une surface d’atterrissage : une plaque de bois recouverte d’une feuille de feutre, pour simuler un tronc d’arbre. Juste en dessous se trouvait une deuxième plaque connectée à un capteur de force, positionnée de manière à ce que seuls les pieds arrière du robot entrent en contact lors de l’atterrissage. Jusufi et al. ont filmé leurs lancements et utilisé les images pour extraire les informations de pose du robot lors de l’atterrissage.

Les résultats : plus la queue du gecko est longue, plus la force qui éloigne les pieds arrière de la surface est faible et plus il est facile pour le robot de s’accrocher après un crash. Cependant, lorsqu’ils ont retiré la queue du robot gecko, les forces exercées sur les pattes arrière étaient trop élevées, ce qui a fait perdre au robot son emprise, rebondir et tomber, tout comme ses homologues vivants sans queue. La queue est donc en effet indispensable pour stabiliser le crash à grande vitesse du gecko. Ce travail pourrait un jour contribuer à améliorer la locomotion robotique, selon Jusufi, rendant les robots bio-inspirés plus robustes et plus simples à contrôler.

DOI: Nature Communications Biology, 2021. 10.1038/s42003-021-02378-6 (À propos des DOI).