Biomimétisme : robots subaquatiques inspirés du thon ?

Certains poissons ont encore quelques secrets bien gardés et certains mécanismes posent question ! Comment, avec leur forme très hydrodynamique et leur vitesse de nage élevée parviennent-ils à la fois à combiner stabilité, efficacité et manœuvrabilité ?
Plus particulièrement, la communauté scientifique s’interroge sur les scombridés (la famille des thons …) qui affichent des records de 80 km/h et semblent infatigables.

La réponse à cette question est fondamentale pour deux raisons :
– d’abord, pour une meilleure compréhension des mécanismes physiologiques régissant le monde vivant,
– puis pour les applications qui pourraient en découler dans le domaine de la robotique ou de l’aéronautique où ces questions de stabilité et de mouvement dans un environnement fluide sont primordiales (dans la mesure où où plusieurs types de forces s’exercent).

Comment assurer stabilité, agilité, efficacité d’un robot subaquatique tout en assurant une consommation d’énergie correcte ?

Alors pour être certain de réussir son coup, autant s’inspirer de la Nature : les animaux sont présents dans un grande diversité d’environnements dont certains présentent quelques challenges ; l’évolution et la sélection naturelle leur ont permis de s’en accommoder grâce une morphologie, des mécanismes de contrôle internes, certaines caractéristiques de leurs tissus pour pallier à toutes les contraintes et se mouvoir parfaitement dans leur environnement.
Des équipes de recherche se sont donc penchées sur l’étude des spécificités du thon (et d’autres membres de la famille des scombridés) pour tenter de découvrir les mécanismes mis en oeuvre pour nager vite et bien, avec cette grande dextérité dans les mouvements et les changements de direction : certains poissons peuvent faire demi-tour sur de très courtes longueurs sans perte de vitesse !

Ce sont les nageoires qui permettent à la fois d’assurer la stabilité du poisson dans tous types de mouvements et sa manœuvrabilité. Pour la stabilité, le centre de poussée (là où s’applique la résultante de toutes les forces en présence) doit être le plus proche du centre de gravité.
Dans le cas du thon, le rôle de la 2e nageoire dorsale et de la nageoire anale est prépondérant !

En effet, les rayons qui composent ces nageoires (parties cartilagineuses) peuvent bouger et balayer un angle variable (par rapport à l’axe du corps) de façon à ce que le thon puisse modifier rapidement son centre de poussée et jouer sur les deux paramètres « stabilité » et « manœuvrabilité ».

La question qui se pose alors est : « par quel mécanisme ces rayons peuvent-il modifier leur position ? » Les recherches d’une équipe américaine intégrant des scientifiques de Standford University, de l’Institut de biologie sur les cellules souches et de médecine régénérative et du centre de Recherche et préservation du Thon (Pavlov et al. [2017] ont travaillé sur le sujet via une étude multidisciplinaire comprenant des approches histologiques, cytologiques et immunologiques, des observations vidéo de la nage des poissons, de la modélisation de la dynamique des fluides, des dissections permettant d’observer la musculature autour des nageoires et la vascularisation. Ils ont publié leurs travaux très récemment dans Science [1]

Il en ressort que le système musculaire et le réseau vasculaire contenant la lymphe sont particulièrement adaptés pour modifier la position de la nageoire. Ainsi à la base des nageoires (dorsale et anale), le thon est équipé de sinus vasculaires (petites cavités) connectés au système lymphatique et à des canaux vasculaires présents dans les nageoires.

Ces sinus créent une « cavité » permettant l’afflux de lymphe grâce à la contraction des muscles inclinateurs. L’augmentation de pression liée à l’afflux de fluide dans les canaux facilite grandement l’effort du muscle érecteur et contre-carre le travail du muscle dépresseur. Le système lymphatique dont les rôles dans l’immunité et *l’osmorégulation*  sont les plus connus, est donc aussi dans ce cas précis, impliqué dans un contrôle hydraulique au sein de la nageoire.

* processus de diffusion qui permet maintenir les concentrations en minéraux dans les fluides corporels

En résumé : la transmission des forces à des fins de locomotion par le biais d’un système de circulation de fluide dédié intervient en complément d’une organisation musculaire structurée. Cette configuration a déjà été décrite chez d’autres espèces d’invertébrés (vers, mollusques, arthropodes…) mais ici, chez le thon (et autres espèces de la même famille), l’interaction entre les différents systèmes est assez complexe et élaborée :
– les muscles peuvent être considérés comme des éléments jouant le rôle de pompe hydraulique : ils permettent la mise en pression du fluide hydraulique (ici la lymphe).
– des vaisseaux du système vasculaire permettent de contrôler finement le système,
– les rayons des nageoires jouent le rôle d’actionneurs et convertissent l’énergie de pression en énergie mécanique.

Bref, les futurs robots sub-aquatiques (dont nous avions souligné toute l’importante ICI) ont tout à gagner à s’inspirer du système modulable des nageoires du thon… Ainsi on pourrait éventuellement, voir débarquer ceci un de ces quatre dans le fond des océans ?

Un robot subaquatique inspiré des systèmes de nageoires propres aux thons

Texte et dessins des nageoires : Pascale Baugé
Illustration du robot poisson : Valentin Baugé – 15 ans (son blog)

Référence :
1- Pavlov V., Rosental B. et al., « Hydraulic control of tuna fins : A role for the lymphatic system in vertebrate locomotion », Science, 357, pp 310-314, 21 juillet 2017

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