Le retour à la vie aquatique, évolution de l’efficacité des forces propulsives & biomimétique – DRAGON2

Le projet Dragon-2 résolument pluridisciplinaire reposait sur des interactions entre différentes disciplines. Zoologie, écologie : pour combler les lacunes sur la façon dont les différentes espèces de serpents nagent, nous avons développé de grands bancs de nage équipés de caméra rapides. En pratique, nous avons utilisé des canalisations d’évacuation de l’eau coupées dans le sens de la longueur. Les morceaux étaient mis bout à bout. Relativement faciles à fabriquer, démontables et transportables, ces bancs de nage nous ont permis d’acquérir le plus riche jeu de données jamais collecté. La diversité des cinématiques, des écologies et des morphologies des serpents étudiés offre une base de réflexion très précieuse pour comprendre comment la sélection naturelle a façonné et optimisé la nage des serpents. Mécanique des fluides : comme il est impossible de mesurer la consommation énergétique de serpents en train de nager avec la précision nécessaire, c’est à dire la dépense associée à chaque ondulation latérale, l’idée reposait sur l’utilisation de techniques indirectes capables d’estimer l’énergie cinétique « laissée » par les serpents dans le milieu sous la forme de tourbillons. Pour visualiser et mesurer les tourbillons, la vélocimétrie par image de particules en 3D qui est difficile à mettre en œuvre et qui n’avait jamais été utilisée pour étudier la nage des serpents a été employée. Une longue phase de mise au point a été nécessaire. Microscopie : les structures et microstructure présentes à la surface des écailles des serpents jouent peut-être un rôle hydrodynamique. Pour le vérifier la microscopie électronique à balayage (MEB) en mode pression variable (sans métallisation préalable) et la stéréo-profilométrie et au microscopie opto-numérique 3D ont été utilisées pour étudier des écailles de nombreuses espèces de serpents issus des collections des organismes impliqués dans le projet. Mécatronique et Robotique : pour concevoir et construire un robot qui nage comme un vrai serpent, et qui puise servir d’instrument pour tester expérimentalement des hypothèses hydrodynamiques et d’efficacité énergétique de la nage, le squelette de serpents a été étudié. Des tests de raideur et de résistance à la courbure imposée ont été réalisés à l’aide d’un dispositif développé spécifiquement. Les informations obtenues ont été utilisées pour calculer la forme du squelette artificiel, composé de vertèbres bioinspiréees reliées entre elles par des articulations de type cardan et des butées, et les types de matériaux à employer pour reproduire le comportement du corps d’un serpent qui ondule. Modélisation et simulation numériques : elles ont été réalisées en s’appuyant principalement sur les équations de Navier-Stokes pour construire les modèles de base. Une approche avec frontière immergée et pénalisation de volume a été utilisée pour représenter le fait que le corps du serpent nageur se déforme au cours de la nage.

Grâce au travail de terrain réalisé dans différents pays, la diversité des modes de nage des serpents a pu être reliée à la diversité de leurs modes de vie. Les espèces les plus spécialisées, strictement arboricoles, fouisseuses ou aquatiques utilisent des cinématiques de nage particulières et distinctes. Les espèces ayant des modes de vie moins spécialisés, terrestres, semi arboricoles, semi fouisseuses ou semi aquatiques sont en moyenne différentes les unes des autres, mais les cinématiques sont largement partagées. La spécialisation vers le milieu aquatique n’a pas entraîné une augmentation de la vitesse de nage, mais plutôt celle de l’efficacité énergétique. Ce résultat est surprenant, chez tous les autres vertébrés terrestres qui se sont adaptés à la vie aquatique, oiseaux ou mammifères marins notamment, la vitesse de nage est beaucoup plus élevée que chez les espèces terrestres les plus proches. Les serpents ont suivi une autre voie évolutive. Les mesures hydrodynamiques faites au laboratoire ont permis de vérifier les prédictions théoriques sur la forme et le comportement des tourbillons produits par les ondulations latérales des serpents lors de la nage. Au-delà de cette prouesse technique, l’estimation de la dépense énergétique que les serpents doivent faire pour générer les mouvements d’eau a pu être obtenue. Les serpents semblent particulièrement agiles pour se déplacer dans l’eau en créant peu de tourbillons, de façon efficace et probablement très économique. La diversité des microstructures des écailles des serpents n’a pas pu être mise en relation avec l’adaptation à la vie aquatique, ce qui est assez logique vu que la vitesse de nage ne semble pas être un critère majeur. L’approche fortement bioinspirée pour concevoir le robot serpent a été couronnée de succès. Depuis les premières étapes de création de vertèbres jusqu’à l’impression en 3D du serpent de plus d’un mètre de long, les étapes par essais et erreurs ont permis d’obtenir un serpent robot dont les mouvements sont fluides et économes. Une seule pile de 9 volts permet de le faire nager pendant 4h, ce qu’aucun robot concurrent n’est capable de faire. Les modélisations et simulations numériques ont nécessité des capacités de calculs importantes parce que les processus mis en jeu sont complexes. Mais elles ont surtout produit des résultats cohérents avec ceux obtenus dans les autres parties du projet. Par exemple, le corps du serpent est la principale source de propulsion, alors que chez la plupart des poissons la queue est l’organe propulseur principal. Ce résultat souligne à nouveau les particularités de la nage des serpents.

Le projet s’est focalisé sur la compréhension des modalités de la nage des serpents étudiés dans une situation particulière : un trajet en ligne droite. En effet la complexité des phénomènes étudiés nécessitait de limiter le nombre de paramètres et leurs interactions. Le robot serpent a été conçu et développé dans cette perspective de simplification. Les vrais serpents ne nagent presque jamais en ligne droite. Au contraire ils effectuent des changements de cap et des manœuvres complexes, par exemple pour capturer des proies dans l’eau. Un robot serpent devrait lui aussi être capable d’effectuer de se mouvoir dans les trois dimensions du volume d’eau pour être utile, à la fois comme instrument pour tester les hypothèses générées grâce aux observations de serpents vivants, mais aussi comme outil d’exploration du milieu ou d’inspection d’installations techniques. En s’appuyant sur les nouvelles connaissances, les perspectives naturelles du projet consistent à étudier la nage dans les trois dimensions, mais aussi au moment des transitions entre les milieux, par exemple lorsqu’un serpent entre dans l’eau ou en sort. Une démarche globalement équivalente à celle adoptée dans ce projet pourrait être appliquée. C’est-à-dire étudier la cinématique complexe de la nage de serpents qui changent de direction font surface ou plongent, voire font marche arrière comme certains sont capables de la faire. Idéalement, ces mesures pourraient être faites en étudiant des serpents libres sur le terrain et en conditions contrôlées grâce à des bancs de nage permettant de filmer les individus sous différents angles. Des mesures au laboratoire des tourbillons de serpents en train de changer de direction ont été réalisés la dernière année du projet, ce qui montre que ce type de perspectives est réaliste. En parallèle, le robot serpent devra s’inspirer des informations obtenues sur les serpents vivants pour paramétrer les mouvements. De même les modèles numériques pourront s’appuyer sur les observations de terrain et de laboratoire. En somme les perspectives sont de continuer à employer une approche d’observation de la diversité extraordinaire dont font preuve les serpents, et de bio-inspiration pour tester des hypothèses et développer des robots performants.

Les transitions-retour vers la vie aquatique ont façonné de nombreux organismes et fortement impacté les écosystèmes marins fossiles et actuels. Toutefois, les processus évolutifs impliqués sont difficiles à étudier car des étapes-clés manquent dans les lignées actuelles. Les serpents, objet de ce projet, font exception. Tous les intermédiaires existent et un seul mode de déplacement par ondulations est efficace sur terre et dans l’eau. Notre hypothèse centrale est que l’adaptation à la vie aquatique a modifié la cinétique des ondulations pour optimiser la nage en minimisant les forces de résistance tout en maximisant celles de propulsion. L’efficacité énergétique de la nage devrait donc être plus grande chez les espèces aquatiques. Cependant, mesurer simultanément les performances de la nage, la cinématique ondulatoire et la dépense énergétique est techniquement difficile, notamment de façon non-invasive. En outre, l’effort physique peut être partiellement découplé de la consommation en oxygène chez les serpents, ce qui rend les techniques classiques (e.g. respirométrie) imprécises. Une option consiste à mesurer le coefficient de traînée d’un animal qui nage : les structures vorticales produites à chaque intervalle de temps peuvent être utilisées pour quantifier précisément l’efficacité de la nage. Mécanique des fluides et modélisation numérique seront mobilisées pour traiter ce problème complexe qui implique des structures déformables. Mais ce projet s’appuie aussi sur la robotique. Des serpents- robots bio-inspirés seront construits pour tester expérimentalement les relations entre cinématique, dépense énergétique et trainées hydrodynamiques. Ce projet multidisciplinaire comporte 5 volets (WP). WP1: l'optoélectronique et la cinématique par rayons-X en 3D seront utilisées pour analyser la cinématique ondulatoire (fréquence et amplitude) de la nage de serpents en laboratoire. Les trainées seront mesurées grâce à la vélocimétrie par images de particules. Une gamme d’espèces terrestres, amphibies et aquatiques sera testée. WP2 : les données obtenues seront utilisés pour paramétrer les robots afin de tester l’impact de cinématiques sur les forces propulsives et de résistance. WP3 : la surface de la peau de différents serpents sera examinée en microscopie électronique, micro-tomographie, et profilométrie-stéréo sur gel. Des reconstructions 3D des surfaces cutanées placées dans un courant contrôlé d’eau permettront d’examiner les propriétés tribologiques. WP4 : les données obtenues apporteront les bases pour les simulations numériques de l’efficacité énergétique des déplacements. Le but est de développer un modèle prédictif qui intègre la taille et la forme du corps, la surface cutanée, la cinématique ondulatoire, et l’efficacité énergétique de tout serpent (ou robot) qui nage. Enfin, nous prévoyons d’extraire automatiquement les paramètres cinématiques clés de vidéos de serpents nageant, puis d’en dériver le coût du transport associé à chaque ondulation. WP5 : avec le modèle prédictif nous estimerons l’efficacité énergétique de la nage sur un grand nombre d’espèces de serpents filmées dans la nature. La collection de cinématiques, riche et unique, représentative de la diversité des serpents permettra de prendre en compte le contexte phylogénétique. Des facteurs importants comme la taille, le mode de chasse, le statut reproducteur ou le sexe seront analysés. Les grandes bases de données fourniront les paramètres pour optimiser la conception des prototypes de robots. Les codes numériques développés et les bases de données seront déposés auprès de l’INPI. Au-delà des objectifs fondamentaux en biologie évolutive, ce projet basé sur des techniques performantes et des serpents vivants pour comprendre l’efficacité hydrodynamique de la nage ondulatoire offre une opportunité pour que des laboratoires français participent à la compétition internationale de production de robots-serpents.