Entomology Today

Photo d’Alexander Wild. http://www.alexanderwild.com

Dans le Journal of Biomechanics, des chercheurs rapportent que l’articulation du cou d’une fourmi des champs américaine commune peut résister à des pressions jusqu’à 5 000 fois le poids de la fourmi.

« Les fourmis sont des systèmes mécaniques impressionnants – stupéfiants, vraiment », a déclaré Carlos Castro, professeur adjoint d’ingénierie mécanique et aérospatiale à l’Université d’État de l’Ohio. « Avant de commencer, nous avons fait une estimation quelque peu conservatrice selon laquelle elles pourraient résister à 1 000 fois leur poids, et il s’est avéré que c’était beaucoup plus. »

Les ingénieurs étudient si des articulations similaires pourraient permettre à de futurs robots d’imiter la capacité de soulèvement du poids des fourmis sur terre et dans l’espace.

D’autres chercheurs ont longtemps observé les fourmis sur le terrain et deviné qu’elles pouvaient hisser cent fois leur poids corporel ou plus, à en juger par la charge utile de feuilles ou de proies qu’elles transportaient. Castro et ses collègues ont adopté une approche différente.

Ils ont démonté les fourmis.

« Comme vous le feriez dans n’importe quel système d’ingénierie, si vous voulez comprendre comment quelque chose fonctionne, vous le démontez », a-t-il déclaré. « Cela peut sembler un peu cruel dans ce cas, mais nous les avons d’abord anesthésiées. »

Les ingénieurs ont examiné la fourmi des monticules d’Allegheny (Formica exsectoides) comme s’il s’agissait d’un appareil qu’ils voulaient rétroconcevoir : ils ont testé ses pièces mobiles et les matériaux dont elle est faite.

Ils ont choisi cette espèce particulière parce qu’elle est commune dans l’est des États-Unis et qu’elle pouvait facilement être obtenue à l’insectarium de l’université. C’est une fourmi de terrain moyenne qui n’est pas particulièrement connue pour sa capacité de soulèvement.

Ils ont imagé les fourmis avec la microscopie électronique et les ont radiographiées avec des appareils de tomographie microcompactée (micro-CT). Ils ont placé les fourmis dans un réfrigérateur pour les anesthésier, puis les ont collées face contre terre dans une centrifugeuse spécialement conçue pour mesurer la force nécessaire pour déformer le cou et éventuellement rompre la tête du corps.

La centrifugeuse fonctionnait sur le même principe qu’un manège de fête foraine commun appelé « le rotor ». Dans le rotor, une pièce circulaire tourne jusqu’à ce que la force centrifuge cloue les gens au mur et que le plancher tombe. Dans le cas des fourmis, leurs têtes étaient collées en place sur le plancher de la centrifugeuse, de sorte que lorsqu’elle tournait, le corps des fourmis était tiré vers l’extérieur jusqu’à ce que leur cou se rompe.

La centrifugeuse tournait jusqu’à des centaines de rotations par seconde, chaque augmentation de vitesse exerçant une plus grande force vers l’extérieur sur la fourmi. À des forces correspondant à 350 fois le poids corporel des fourmis, l’articulation du cou a commencé à s’étirer et le corps s’est allongé. Le cou des fourmis s’est rompu à des forces correspondant à 3 400-5 000 fois leur poids corporel moyen.

Les scans micro-CT ont révélé la structure des tissus mous du cou et sa connexion à l’exosquelette dur de la tête et du corps. Les images de microscopie électronique ont révélé que chaque partie de l’articulation tête-cou-poitrine était recouverte d’une texture différente, avec des structures qui ressemblaient à des bosses ou des poils s’étendant à partir de différents endroits.

« D’autres insectes ont des structures à micro-échelle similaires, et nous pensons qu’elles pourraient jouer un certain rôle mécanique », a déclaré Castro. « Elles pourraient réguler la façon dont les tissus mous et l’exosquelette dur s’assemblent, pour minimiser le stress et optimiser la fonction mécanique. Ils pourraient créer une friction, ou caler une partie mobile contre l’autre. »

Une autre caractéristique clé de la conception semble être l’interface entre le matériau mou du cou et le matériau dur de la tête. De telles transitions créent généralement de grandes concentrations de contraintes, mais les fourmis ont une transition graduelle et graduelle entre les matériaux qui donne une performance accrue – une autre caractéristique de conception qui pourrait s’avérer utile dans les conceptions artificielles.

« Maintenant que nous comprenons les limites de ce que cette fourmi particulière peut supporter et comment elle se comporte mécaniquement lorsqu’elle porte une charge, nous voulons comprendre comment elle se déplace. Comment tient-elle sa tête ? Qu’est-ce qui change lorsque la fourmi porte des charges dans différentes directions ? »

Un jour, ces recherches pourraient aboutir à des micro-robots qui combinent des parties molles et dures, comme le fait le corps de la fourmi. Une grande partie du travail en robotique consiste aujourd’hui à assembler de petits dispositifs autonomes qui peuvent travailler ensemble.

Mais un problème difficile apparaîtra si les chercheurs essaient de créer de grands robots basés sur le même design, a expliqué Castro.

Les fourmis sont super fortes à petite échelle parce que leur corps est très léger. À l’intérieur de leurs exosquelettes durs, leurs muscles n’ont pas à fournir beaucoup de soutien, ils sont donc libres d’appliquer toute leur force pour soulever d’autres objets. Les humains, en revanche, portent des charges relativement lourdes en raison du poids de leur corps. Nos muscles supportant le poids de notre corps, il ne nous reste pas autant de force pour soulever d’autres objets.

À l’échelle humaine, cependant, les fourmis sont vaincues par la physique de base. Leur poids augmente avec leur volume global (dimensions au cube), tandis que la force de leurs muscles n’augmente qu’avec la surface (dimensions au carré). Ainsi, une fourmi de taille humaine, si elle devait exister en dehors d’un film d’horreur, ne réussirait probablement pas aussi bien à porter des charges extrêmes à l’échelle humaine.

Un grand robot basé sur cette conception pourrait être capable de transporter et de remorquer des marchandises en microgravité, cependant, il est donc possible que nous employions un jour des fourmis robots géantes dans l’espace, « ou, au moins, quelque chose qui s’inspire des fourmis », a déclaré Castro.

En attendant, les ingénieurs étudieront de près les muscles de la fourmi – peut-être en utilisant l’imagerie par résonance magnétique. Des simulations par ordinateur permettront également de répondre à la question de savoir comment mettre à l’échelle des structures similaires.

La fourmi de l’espace, c’est la fourmi de l’espace.