Stabilisation après un crash tête première –

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  • La queue d’un gecko est une chose merveilleuse et polyvalente.

    En plus de 15 ans de recherche sur les geckos, des scientifiques de l’Université de Californie à Berkeley et, plus récemment, du Max Planck Institute for Intelligent Systems de Stuttgart, en Allemagne, ont montré que les geckos utilisent leur queue pour manœuvrer dans les airs lorsqu’ils planent entre arbres, à se redresser lorsqu’ils tombent, à ne pas tomber d’un arbre lorsqu’ils perdent leur emprise et même à se propulser à la surface d’un étang, comme s’ils marchaient sur l’eau.

    Beaucoup de ces techniques ont été implémentées dans des robots agiles ressemblant à des geckos.

    Mais Robert Full, professeur de biologie intégrative à l’UC Berkeley, et Ardian Jusufi, membre du corps professoral de la Max Planck Research School for Intelligent Systems et ancien doctorant de l’UC Berkeley, ont été époustouflés par une découverte récente : les geckos utilisent également leur queue pour aider à récupérer quand ils prennent une tête dans un arbre.

    Ces écrasements tête première ne sont probablement pas les atterrissages préférés des geckos, mais Jusufi a documenté de nombreux atterrissages durs en 37 glissades sur plusieurs saisons sur le terrain dans une forêt tropicale de Singapour, en utilisant des caméras vidéo à grande vitesse pour enregistrer leurs trajectoires et des atterrissages provoquant des grimaces. Il a mesuré leur vitesse à l’impact à environ 6 mètres par seconde, ou 21 kilomètres par heure, soit plus de 200 pieds par seconde, soit environ 120 longueurs de corps de gecko par seconde.

    “Observer les geckos depuis l’altitude dans la canopée de la forêt tropicale était révélateur. Avant le décollage, ils bougeaient la tête de haut en bas et d’un côté à l’autre pour voir la cible d’atterrissage avant de sauter, comme pour estimer la distance à parcourir », a déclaré Jusufi.

    Les vidéos montrent que lorsque ce gecko – le gecko asiatique commun à queue plate, Hemidactylus platyurus – entre en collision frontale avec un arbre, il attrape le tronc avec ses orteils griffus et rembourrés de sorte que, lorsque sa tête et ses épaules rebondissent, il dispose d’un levier pour appuyer sa queue contre le tronc pour l’empêcher de tomber en arrière sur le sol et potentiellement finir comme le dîner de quelqu’un.

    “Loin de stagner, certains de ces lézards accélèrent encore à l’impact”, a déclaré Jusufi. “Ils s’écrasent la tête la première, reculent la tête sur les talons à un angle extrême par rapport à la verticale – ils ressemblent à un support de livres éloigné de l’arbre – ancrés uniquement par leurs pattes arrière et leur queue alors qu’ils dissipent l’énergie de l’impact. Avec la chute- réflexe d’arrêt se produisant si vite que seule une vidéo au ralenti pourrait révéler le mécanisme sous-jacent.”

    Ce comportement surprenant, et une démonstration que les robots avec des queues qui agissent de la même manière peuvent également récupérer avec succès des atterrissages forcés, seront rapportés cette semaine dans le La nature journal Biologie des communications. Bien que ce type d’atterrissage en catastrophe n’ait pas été documenté auparavant chez les geckos ou autres animaux planeurs, les scientifiques soupçonnent que d’autres petits sauteurs légers – en particulier d’autres lézards – l’utilisent comme sauvegarde lorsqu’un saut parfait est impossible.

    “Ils peuvent avoir des planés plus longs qui sont plus des plans d’équilibre, et ils atterrissent différemment, mais, par exemple, s’ils essaient de s’échapper, ils choisissent de faire ce genre de comportement, en partie parce que la taille compte”, a déclaré Full, notant que les lézards ne mesurent que quelques pouces du museau au bout de la queue. “Quand vous êtes si petit, vous avez des options qui ne sont pas des solutions pour de grandes choses. C’est donc une sorte de solution à médiation corporelle que vous n’avez pas si vous êtes plus gros.”

    Jusufi et Full notent que des structures similaires aux queues de gecko pourraient être utilisées pour aider à stabiliser les robots volants, tels que les drones, lorsqu’ils atterrissent sur des surfaces verticales.

    Selon les chercheurs, ce comportement inhabituel, qu’ils sont les premiers à documenter, modéliser mathématiquement et reproduire dans un robot mou, est un exemple de la façon dont une innovation évolutive comme une queue peut être utilisée de manière imprévue. Les queues de vertébrés ont évolué chez les animaux aquatiques, probablement comme moyen de propulsion dans l’eau – quelque chose que Jusufi étudie et modélise également avec des robots mous qui ondulent. Mais la queue s’est avérée être une chose si polyvalente que le lézard a développé diverses exaptations, un terme désignant des structures qui ont été façonnées par la sélection naturelle pour une fonction ou une adaptation particulière, mais qui ont été utilisées pour d’autres comportements.

    “Les exaptations sont des structures qui ont été cooptées pour de nombreux comportements, peu importe pour quoi cette structure a évolué à l’origine, et en voici une à laquelle vous ne vous attendriez pas”, a déclaré Full. “Vous pouvez voir comment cette incroyable capacité d’être robuste peut permettre ces exaptations.”

    “Jusqu’à récemment, les queues n’avaient pas reçu autant d’attention que les pattes ou les ailes, mais les gens se rendent compte maintenant que nous devrions considérer ces animaux comme à cinq pattes, en quelque sorte – des pentapèdes”, a déclaré Jusufi.

    Full a déclaré qu’au fur et à mesure que les ingénieurs en robotique tentent d’ajouter de plus en plus de fonctions aux robots, ils constatent qu’ils ne peuvent pas introduire une nouvelle pièce pour chaque capacité. Une queue est une structure qui, comme les lézards l’ont découvert, peut avoir plusieurs objectifs.

    “Au fur et à mesure que nous faisons évoluer nos robots et nos systèmes physiques, les ingénieurs veulent tous faire plus de choses. Et devinez quoi ? À un moment donné, vous ne pouvez pas optimiser un robot pour tout”, a-t-il déclaré. “Vous devez utiliser des choses pour d’autres comportements afin d’obtenir ces comportements.”

    Un robot catapulte

    À Singapour, Jusufi et ses collègues ont utilisé des caméras à grande vitesse pour enregistrer des geckos sautant vers des arbres trop proches pour permettre de planer. Même si le gecko à queue plate n’est pas particulièrement adapté au vol plané – certains geckos ont des rabats de peau qui ressemblent à des parachutes – il a une certaine capacité à planer et donc à manœuvrer dans les airs. Mais le vol plané nécessite d’atteindre la vitesse terminale pour que le lézard puisse manœuvrer dans les airs, et les sauts n’étaient pas assez longs pour cela.

    Incapables de planer ou de se ralentir en calant avant d’atterrir, les geckos se sont écrasés durement, généralement la tête la première. Lorsqu’ils ont analysé les trajectoires et la mécanique des geckos tombants, les chercheurs ont découvert que certains accéléraient encore à l’impact. La plupart ne pouvaient pas maintenir une emprise sur l’arbre avec leurs pattes avant.

    “Nos observations sur le terrain de ces petits lézards agiles dans la forêt tropicale ont révélé des réponses très dynamiques et antichute que personne ne pensait que ces geckos pourraient exécuter avec leur queue”, a déclaré Jusufi. “Nos observations sur le terrain suggèrent qu’ils ont développé un comportement de queue que l’on pense être pour grimper au perchoir après un vol plané.”

    Les chercheurs ont modélisé mathématiquement le comportement pour confirmer que ce qu’ils voyaient avait un sens physique, mais pour vraiment déterminer ce que les geckos vivaient, ils ont décidé de construire un robot souple à l’Institut Max Planck qui ressemble à un gecko et de le lancer avec une catapulte dans le mur. De cette façon, ils pourraient mesurer les forces réellement subies par les geckos lorsqu’ils s’écrasent et les forces produites par les pieds.

    Ils ont construit le robot à queue à partir de pièces fabriquées par une imprimante 3D de pointe, Carbon M2, spécialement conçue pour imprimer des structures souples. Les pieds étaient équipés de Velcro pour coller au contact, et à la queue, ils ont ajouté un mécanisme qui la ferait appuyer vers le bas lorsque les pattes avant heurtaient une surface et glissaient, comme le réflexe de la queue du gecko.

    Étonnamment, le robot à queue a eu un succès similaire lors des atterrissages durs. Dans la nature, 87 % des geckos avec queue ont atterri avec succès sur une surface verticale sans tomber, tandis que les geckos sans queue tombaient plus fréquemment. (Les geckos perdent souvent leur queue pour échapper aux prédateurs ou à leurs rivaux, et les repoussent plus tard.) Les robots sans queue n’ont réussi à atterrir sur une surface verticale que dans 15 % des essais, contre 55 % des essais impliquant le robot à queue.

    Les chercheurs ont également découvert qu’au-delà d’une certaine longueur, les queues plus longues ne sont pas nécessairement beaucoup mieux que les queues plus courtes : longueur d’évent. Les robots à queue courte, cependant, nécessitaient deux fois la force du pied pour rester attachés à l’arbre.

    Full et Jusufi continuent d’étudier le comportement des geckos à la recherche de principes pouvant être appliqués à la conception de robots – en particulier, des robots mous qui peuvent se percher dans les arbres et atterrir sur des surfaces verticales – mais aussi d’explorer les origines évolutives de locomotion animale. L’un des principaux points à retenir, a déclaré Full, est que, bien que les ingénieurs puissent chercher à concevoir le robot optimal, la nature ne le fait jamais.

    “L’évolution n’est pas une question d’optimalité et de perfection, mais plutôt de suffisance. La solution juste assez bonne joue vraiment pour vous offrir un éventail de capacités afin que vous soyez beaucoup plus robuste dans des environnements difficiles”, a déclaré Full. “Evolution ressemble plus à un bricoleur qui ne sait jamais vraiment ce qu’il va produire et utilise tout ce qui est à sa disposition pour faire quelque chose qui soit réalisable.”

    “Les petits animaux arboricoles sans adaptations morphologiques évidentes pour le vol présentent de plus en plus une capacité surprenante à manœuvrer dans les airs. Des modèles physiques robotiques souples peuvent aider à déchiffrer le contrôle de ces solutions d’atterrissage à médiation mécanique”, a déclaré Jusufi.

    Vidéo d’un gecko et d’un robot montrant l’effet d’une queue : https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

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