C’est ainsi qu’une crevette d’herbe des marais nageant librement (Palaemonetes vulgaris) avance en utilisant la locomotion métachronale pour réduire la traînée.
Crevettes des marais (Palaemonetes vulgaris) sont des nageurs incroyablement rapides et agiles, comme peuvent en témoigner tous ceux qui les ont vus filer dans les bassins de marée de la plage. Nils Tack, chercheur postdoctoral à l’Université Brown, étudie la biomécanique et la dynamique des fluides de la façon dont ces petites créatures gèrent l’exploit. Il a présenté ses dernières découvertes lors d’une récente réunion de l’American Physical Society sur la dynamique des fluides à Indianapolis. Essentiellement, la crevette utilise ses pattes flexibles et rapprochées pour réduire considérablement la traînée. Les résultats aideront les scientifiques à concevoir des robots bio-inspirés plus efficaces pour explorer et surveiller les environnements sous-marins.
Tack est biologiste de formation et travaille actuellement dans le laboratoire de Monica Wilhelmus. Plus tôt cette année, le groupe a présenté RoboKrill, un petit robot unijambiste imprimé en 3D conçu pour imiter le mouvement des jambes du krill (Euphasie superbe) afin qu’il puisse se déplacer en douceur dans les environnements sous-marins. Certes, le robot est nettement plus gros que le krill réel – environ 10 fois plus gros, en fait. Mais il est difficile de garder et d’étudier le krill en laboratoire. La « jambe » de RoboKrill a copié la structure des nageurs du krill avec une paire d’appendices à engrenages, et Wilhelmus et coll. a utilisé l’imagerie à grande vitesse pour mesurer l’angle de ses appendices lorsqu’il se déplaçait dans l’eau. Non seulement RoboKrill produisait des motifs similaires au vrai krill, mais il pouvait imiter la dynamique de nage d’autres organismes en ajustant les appendices. Ils espèrent un jour utiliser le robot pour surveiller les essaims de krill dans la nature.
En ce qui concerne le style de nage de la crevette des marais, des études antérieures ont montré que les créatures pouvaient maximiser la poussée vers l’avant grâce à la rigidité et à la surface accrue de ses pattes. Cette recherche a essentiellement traité les jambes (alias pléopodes) comme des pagaies ou des plaques plates poussant sur l’eau. Mais personne n’a regardé de près comment les jambes se pliaient pendant les coups de récupération. « C’est un système très complexe », a déclaré Tack lors d’un briefing lors de la réunion. « Nous essayons d’approcher [the topic] sous deux angles, en regardant le fluide et en regardant les propriétés mécaniques des jambes. »
Vidéo du flux produit par une crevette des marais lors de la locomotion métachrone, en utilisant la vélocimétrie par image de particules en champ clair.
Plus précisément, Tack et ses collègues ont ensemencé l’eau avec des particules microscopiques, ce qui leur a permis de suivre et de calculer la vitesse et la direction des caractéristiques d’écoulement, en utilisant la vélocimétrie par image de particules en champ clair (PIV) pour visualiser l’écoulement du fluide autour des pattes battantes de la crevette. Ils ont également étudié les propriétés mécaniques des pattes des crevettes, ce qui n’est pas chose aisée puisque chaque patte a à peu près la taille d’un grain de sable. « Nous avons essentiellement poussé sur les jambes avec une force connue pour voir comment elles se plient », a déclaré Tack.
Cette double approche a permis à l’équipe d’identifier deux mécanismes clés de réduction de la traînée. Premièrement, par Tack, ils ont noté une grande différence dans les schémas entre le coup de puissance qui produit la poussée et le coup de récupération. « Nous avons constaté que les jambes sont environ deux fois plus flexibles pendant le coup de récupération et se plient fortement », a-t-il déclaré. « Ils restent presque horizontaux par rapport à la direction dans laquelle ils nagent. » Il en résulte une interaction moins directe avec l’eau et un sillage réduit (tourbillons plus petits), contrairement au coup de force, où la jambe reste très rigide pour maximiser l’interaction avec l’eau.
Deuxièmement, le regroupement des pléopodes pendant le coup de récupération s’est également avéré important. « Chaque fois qu’ils remettent les jambes dans leur position d’origine, ils les gardent proches l’une de l’autre pendant 100 % du temps », a déclaré Tack. Cela est rendu possible par la flexibilité, qui crée un joint étanche entre les pattes des crevettes. Ainsi, plutôt que trois jambes se déplaçant séparément, leurs jambes se déplacent essentiellement comme une seule, ce qui réduit considérablement la traînée. « Ils se battent les jambes six fois par seconde, pendant des heures d’affilée, donc c’est potentiellement beaucoup d’énergie qu’ils ne gaspillent pas », a déclaré Tack. Lui et ses collègues adapteront en conséquence leur conception de robot inspirée des crevettes d’herbe.
Image de la liste par Smithsonian Environmental Research Center/CC BY 2.0