Ce que les libellules nous apprennent sur le redressement aérodynamique en chute libre

Avec leurs corps étirés, envergure immense et coloration iridescente, 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 sur la planète, elles sont une innovatrice précoce du vol aérien.

Maintenant, un groupe dirigé par Jane Wang, Professeure de Génie Mécanique et Aérospatial au College of Engineering de l'Université Cornell, a démêlé la physique complexe et les contrôles neuronaux qui permettent aux libellules de se redresser pendant qu'elles tombent.

La recherche révèle une chaîne de mécanismes qui commence avec les yeux de la libellule — tous les cinq — et continue 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, Virginie.

Depuis deux décennies, Wang utilise la modélisation mathématique complexe pour comprendre la mécanique du vol d'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 furent les premiers à découvrir le vol aérien. Et les libellules sont parmi les plus anciens insectes », dit Wang. « Essayer de voir comment elles se redressent dans l'air nous donnerait un aperçu sur l'origine du vol et comment les animaux ont évolué des neuro-circuitries pour l'équilibre dans l'air et la navigation dans l'espace. Leurs trajectoires sont complexes et imprévisibles. Les libellules font constamment des manœuvres, sans suivre de direction évidente. C'est mystérieux. »

Pour étudier ces dynamiques de vol et les algorithmes internes qui les gouvernent, l'équipe a conçu une expérience comportementale contrôlée dans laquelle une libellule serait lâchée à l'envers depuis un tether magnétique — une prémisse pas si différente des fameuses expériences de chats qui tombent des années 1800 qui montraient comment certains « réflexes câblés » résultaient en félins atterrissant sur leurs pattes. Ils ont trouvé qu'en libérant une libellule soigneusement sans contact des pattes, les manœuvres déconcertantes de l'insecte suivaient en fait le même motif de mouvement, que les chercheurs ont pu capturer avec trois caméras haute vitesse filmant à 4 000 images par seconde. Des marqueurs ont été mis sur les ailes et le corps de la libellule, et les mouvements ont été reconstruits via logiciel de tracking 3D.

Les chercheurs ont dû considérer de nombreux facteurs — de l'aérodynamique instable des interactions aile-air à la façon dont le corps d'une libellule répond à ses ailes battant. Il y a aussi cette force persnickety que tous les êtres terrestres doivent éventuellement affronter : la gravité.

Wang et Melfi ont pu créer un modèle computationnel qui simulait avec succès les acrobaties de la libellule. Mais une question clé persistait : Comment les libellules savent-elles qu'elles tombent, pour pouvoir corriger leur trajectoire ?

Wang a réalisé que, contrairement aux humains qui ont un sens inertiel, les libellules pourraient compter sur leurs deux systèmes visuels — une paire de grands yeux composés, et trois yeux simples appelés ocelles — pour jauger leur redressement.

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

« Ces expériences suggèrent que la vision est la première et voie dominante pour initier le réflexe de redressement de la libellule », dit 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 pas entre aile gauche et droite en conséquence. En trois ou quatre coups d'ailes, une libellule qui culbute peut rouler de 180 degrés et reprendre le vol du bon côté. Le processus entier prend environ 200 millisecondes.

« Ce qui était difficile, c'était de comprendre la stratégie clé de contrôle depuis les données expérimentales », dit Wang. « Ça nous a pris très longtemps de comprendre le mécanisme par lequel une petite quantité d'asymétrie de pas peut mener à la rotation observée. L'asymétrie clé est cachée parmi beaucoup d'autres changements. »

La combinaison d'analyse cinématique, modélisation physique, et simulations de vol 3D donne maintenant aux chercheurs une façon non-invasive d'inférer les connexions cruciales entre les comportements observés d'un animal et les procédures internes qui les contrôlent. Ces insights peuvent aussi être utilisés par des ingénieurs cherchant à améliorer la performance de petites machines volantes et robots.

« Le contrôle de vol à l'échelle de temps de dizaines ou centaines de millisecondes est difficile à ingénier », dit Wang. « Les petites machines battantes peuvent maintenant décoller et tourner, mais ont encore du mal à rester en l'air. Quand elles s'inclinent, c'est dur de corriger. Une des choses que les animaux doivent faire est de résoudre précisément ce genre de problèmes. »

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