Leçons tirées de la façon dont les libellules se redressent pendant qu'elles tombent

Avec leurs corps allongés, leur immense envergure et leur coloration irisée, les libellules sont un spectacle unique. Mais leur originalité ne s'arrête pas à leur apparence :en tant que l'une des plus anciennes espèces d'insectes de la planète, ils sont l'un des premiers innovateurs du vol aérien.

Aujourd'hui, un groupe dirigé par Jane Wang, professeur de génie mécanique et aérospatial au Cornell University College of Engineering, a démêlé les contrôles physiques et neuronaux complexes qui permettent aux libellules de se redresser lorsqu'elles tombent.

La recherche révèle une chaîne de mécanismes qui commence par les yeux de la libellule - tous les cinq - et se poursuit à travers ses muscles et le pas de ses ailes.

L'article de l'équipe, "Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex", a été publié le 12 mai dans Science . Wang a co-écrit l'article avec James Melfi, Ph.D., et Anthony Leonardo du Howard Hughes Medical Institute (HHMI) à Ashburn, en Virginie.

Depuis deux décennies, Wang utilise une modélisation mathématique complexe pour comprendre la mécanique du vol des insectes. Pour Wang, la physique est tout aussi importante que la génétique pour expliquer l'évolution des organismes vivants.

« Les insectes sont les espèces les plus abondantes et ont été les premiers à découvrir le vol aérien. Et les libellules sont parmi les insectes les plus anciens », a déclaré Wang. "Essayer de voir comment ils se redressent dans l'air nous donnerait un aperçu à la fois de l'origine du vol et de la façon dont les animaux ont développé des neuro-circuits pour s'équilibrer dans l'air et naviguer dans l'espace. Leurs trajectoires sont complexes et imprévisibles. Les libellules effectuent constamment des manœuvres, sans suivre de direction évidente. C'est mystérieux."

Pour étudier ces dynamiques de vol et les algorithmes internes qui les régissent, l'équipe a conçu une expérience comportementale contrôlée dans laquelle une libellule serait larguée à l'envers d'une attache magnétique - une prémisse qui n'est pas sans rappeler les célèbres expériences de chute de chat des années 1800 qui ont montré comment certains «réflexes câblés» ont fait atterrir les félins sur leurs pattes. Ils ont découvert qu'en relâchant une libellule avec précaution sans contact avec les jambes, les manœuvres déconcertantes de l'insecte suivaient en fait le même schéma de mouvement, que les chercheurs ont pu capturer avec trois caméras vidéo à haute vitesse filmant à 4 000 images par seconde. Des marqueurs ont été placés sur les ailes et le corps de la libellule, et les mouvements ont été reconstruits via un logiciel de suivi 3D.

Les chercheurs ont dû prendre en compte de nombreux facteurs, de l'aérodynamique instable des interactions entre les ailes et l'air à la façon dont le corps d'une libellule réagit au battement d'ailes. Il y a aussi cette force perspicace à laquelle tous les êtres terrestres doivent éventuellement faire face :la gravité.

Wang et Melfi ont pu créer un modèle informatique qui a simulé avec succès les acrobaties aériennes de la libellule. Mais une question clé persistait :comment les libellules savent-elles qu'elles tombent, afin qu'elles puissent corriger leur trajectoire ?

Wang s'est rendu compte que, contrairement aux humains qui ont un sens inertiel, les libellules pouvaient compter sur leurs deux systèmes visuels - une paire de grands yeux composés et trois yeux simples appelés ocelles - pour évaluer leur droiture.

Elle a testé sa théorie en bloquant les yeux d'une libellule avec de la peinture et en répétant l'expérience. Cette fois, la libellule a eu beaucoup plus de mal à récupérer en plein vol.

"Ces expériences suggèrent que la vision est la voie première et dominante pour initier le réflexe de redressement de la libellule", a déclaré Wang.

Ce signal visuel déclenche une série de réflexes qui envoient des signaux neuronaux aux quatre ailes de la libellule, qui sont entraînées par un ensemble de muscles directs qui modulent l'asymétrie de hauteur de l'aile gauche et de l'aile droite en conséquence. Avec trois ou quatre coups d'aile, une libellule qui culbute peut rouler à 180 degrés et reprendre son vol à l'endroit. L'ensemble du processus prend environ 200 millisecondes.

"Ce qui était difficile, c'était de déterminer la stratégie de contrôle clé à partir des données expérimentales", a déclaré Wang. « Il nous a fallu beaucoup de temps pour comprendre le mécanisme par lequel une petite asymétrie de tangage peut conduire à la rotation observée. L'asymétrie clé est cachée parmi de nombreux autres changements. »

La combinaison de l'analyse cinématique, de la modélisation physique et des simulations de vol 3D offre désormais aux chercheurs un moyen non invasif de déduire les liens cruciaux entre les comportements observés d'un animal et les procédures internes qui les contrôlent. Ces informations peuvent également être utilisées par les ingénieurs qui cherchent à améliorer les performances de petites machines volantes et de robots.

"Le contrôle de vol sur une échelle de temps de dizaines ou de centaines de millisecondes est difficile à concevoir", a déclaré Wang. "Les petites machines battantes peuvent maintenant décoller et tourner, mais ont toujours du mal à rester en l'air. Quand ils s'inclinent, c'est difficile à corriger. L'une des choses que les animaux doivent faire est de résoudre précisément ce genre de problèmes."