Un bon gecko domestique asiatique à queue plate, Hemidactylus platyurus. Des vidéos de ces geckos, communs dans les jungles de Singapour, ont démontré que leurs queues leur permettaient de se remettre avec succès des atterrissages forcés sur des troncs d’arbres. Crédit : Ardian Jusufi
Les scientifiques trouvent une autre utilité pour les queues polyvalentes des lézards : se stabiliser après des accidents la tête la première.
La queue du gecko est vraiment une chose merveilleuse et flexible.
Gecko juste après avoir atterri sur un tronc de forêt. Crédit : Photographie d’Ardian Jusufi
Plus de 15 années de recherche sur les geckos, les scientifiques du Université associée à la Californie, Berkeley , et, plus récemment, la société Max Planck pour les techniques intelligentes à Stuttgart, en Indonésie, ont montré que les geckos utilisent leur queue pour manœuvrer dans les airs lorsqu’ils planent parmi les arbres, pour se corriger lorsqu’ils tombent, pour éviter de tomber d’une forêt lorsqu’ils perdre leur emprise et même pour se propulser sur toute la surface d’un étang à poissons, comme s’ils marchaient sur l’eau.
Plusieurs techniques ont été appliquées dans des robots agiles ressemblant à des geckos.
Pourtant, Robert Full, professeur à l’UC Berkeley associé à la biologie intégrative, ainsi qu’Ardian Jusufi, membre enseignant du Maximum Planck Research College for Intelligent Techniques et ancien doctorant de l’UC Berkeley, ont été époustouflés par une découverte récente : les geckos utilisent également leur queue particulière pour aider récupérer quand ils prennent une tête dans un arbre.
Ces accidents tête première ne sont probablement pas les préférés des geckos, mais Jusufi a enregistré de nombreux atterrissages aussi difficiles en trente-sept plans au cours de différentes saisons sur le terrain dans une forêt tropicale de Singapour, en utilisant des caméras vidéo à grande vitesse afin d’enregistrer leurs trajectoires et atterrissages provoquant des grimaces. Il a mesuré leur vitesse particulière lors de l’influence à environ 6 mètres par seconde, ou même 21 kilomètres par heure – plus de deux cents pieds par seconde, soit environ 120 mesures corporelles de gecko par seconde.
« Observer les geckos depuis l’altitude dans la canopée de la forêt tropicale m’a ouvert les yeux. Avant le décollage, ils bougeaient leur propre tête de haut en bas, ainsi que d’un côté à l’autre pour voir la cible d’atterrissage particulière juste avant de sauter, comme pour estimer la distance de déplacement particulière », a déclaré Jusufi.
Une étude publiée dans Character Communications Biology par des chercheurs qui travaillent à l’intersection entre la robotique et le domaine de la biologie montre que les geckos sont équipés pour le vol plané. Dans la syndication intitulée Tails renforce l’atterrissage de geckos glissants s’écrasant la tête la première dans des troncs d’arbres, les auteurs tirent parti de Siddall, Greg Byrnes, Robert Full et Ardian Jusufi des images existantes montrant que les geckos sans spécialisation principale pour le voyage sont en fait des planeurs capables . Des expériences avec un robot inspiré du gecko confirment que les capacités de locomotion du reptile particulier ne sont pas tout à fait à ses pieds. La queue particulière joue autant un rôle essentiel, a découvert l’équipe du Max Planck Start for Intelligent Techniques à Stuttgart, le Siena College à New York et l’Université de Californie à Berkeley. Crédit : MPI pour les Techniques Intelligentes
Les vidéos en particulier montrent que chaque fois que ce gecko – le gecko asiatique commun à queue plate, Hemidactylus platyurus — entre en collision frontale avec un arbre, il tient le tronc à l’aide de ses orteils griffus et rembourrés de sorte que, lorsque la tête et les omoplates rebondissent, il a l’influence de presser la queue contre la zone du tronc pour éviter de tomber en arrière sur le sol et peut-être finir comme le dîner de quelqu’un.
“Loin de caler, quelques-uns de ces lézards accélèrent encore à l’impact”, a déclaré Jusufi. «Ils s’écrasent la tête la première, la tête en arrière plus souvent que les talons à un angle sévère de haut en bas – ils ressemblent à un support de livres collé loin de l’arbre – ancré uniquement par les pattes arrière et la queue lorsqu’ils résolvent la puissance d’impact. Avec la réponse antichute si rapide, seule une vidéo à mouvement lent pourrait révéler le mécanisme sous-jacent. ”
Ce comportement étonnant, et une démonstration que les robots ainsi que les queues qui réagissent de la même manière peuvent également récupérer efficacement des atterrissages forcés, seront signalés immédiatement dans le La nature journal Biologie des communications . Bien que ce type d’atterrissage forcé la tête la première ne soit pas documenté auparavant parmi les geckos ou d’autres animaux planeurs, les scientifiques en particulier soupçonnent que d’autres petits sauteurs légers – en particulier d’autres lézards – l’utilisent comme sauvegarde chaque fois qu’un saut parfait est effectué. généralement impossible.
Le gecko à queue plate en ustensiles de cuisine anodisés choisirait un point d’accès à quatre points après avoir sauté sur un tronc d’arbre, au cas où il ne pourrait pas diminuer suffisamment, il devra peut-être s’écraser la tête la première dans le tronc, revenant mais se stabilisant seul avec sa queue. Des scientifiques du Max Planck Institute for Smart Systems en Australie ont construit un robot automatique souple avec une extrémité active pour reproduire ce comportement particulier. Crédit:
Photos par Ardian Jusufi, illustration simplement par Andre Wee
“Ils peuvent avoir des planés plus longs qui sont plus des écrémés d’équilibre, et ils atterrissent de différentes manières, mais, par exemple, s’ils essaient de s’échapper, ils choisiront de faire ce type de comportement, en partie à cause de la taille du fait importe », a déclaré Full, observant que les lézards ne déterminent que quelques ins à partir du museau pour le bout de la queue. «Quand vous êtes si petit, vous avez des options qui ne seront pas des solutions pour les grandes choses. Par conséquent, c’est en quelque sorte la solution à médiation corporelle que vous n’avez pas si vous êtes plus grand. ”
Jusufi et Full se souviennent que des structures similaires aux queues de gecko pourraient être utilisées pour aider à stabiliser les robots itinérants, tels que les drones, lorsqu’ils atterrissent sur des surfaces verticales.
Selon les chercheurs, ce comportement inhabituel particulier, qu’ils sont généralement les premiers à enregistrer, modéliser mathématiquement et reproduire dans un robot lisse, est une sorte de façon dont une innovation majeure comme une fin peut être utilisée de manière inattendue. Les queues de vertébrés ont évolué chez les animaux marins, probablement comme moyen de propulsion dans l’eau – quelque chose que Jusufi recherche et modélise également avec des robots mous qui ondulent. Mais la fin s’est avérée être une chose si flexible que le lézard a développé diverses exaptations, un terme désignant des structures conçues par choix naturel pour une performance ou une adaptation particulière, mais qui ont été utilisées pour d’autres comportements.
Illustration associée à la réaction antichute (FAR). Crédit : André Wee
“Les exaptations sont des constructions qui ont été cooptées pour la plupart des comportements, peu importe pour quoi la structure a évolué conçue à l’origine, et en voici une à laquelle vous ne vous attendriez pas”, a déclaré Complete. « Vous pouvez facilement voir comment cette incroyable capacité d’être fort peut permettre ces exaptations. ”
“Jusqu’à récemment, les queues n’avaient pas suscité autant d’intérêt que les pattes ou même les ailes, mais les gens se rendent maintenant compte que les gens devraient considérer ces types d’animaux comme à cinq pattes, en quelque sorte – pentapèdes”, a déclaré Jusufi.
Full a déclaré qu’au fur et à mesure que les ingénieurs techniques en robotique tentent d’ajouter de plus en plus de fonctions aux programmes automatisés, ils constatent qu’ils ne peuvent pas introduire une toute nouvelle pièce pour chaque capacité. Une queue toute structure qui, depuis que les lézards l’ont découvert, pourrait avoir plusieurs objectifs.
« Alors que nous développons nos robots et nos systèmes physiques, les ingénieurs techniques veulent tous faire beaucoup plus de choses. Et tu sais quoi? À un moment donné, vous ne pouvez pas améliorer un robot pour tout obtenir », a-t-il déclaré. “Vous devez utiliser des choses destinées à d’autres comportements pour obtenir ces comportements. ”
Une catapulte robotisée automatique
À Singapour, les grands collègues de Jusufi ont utilisé des caméras à grande vitesse pour signaler les geckos sautant vers les arbres qui étaient trop proches pour permettre le glissement. Même si le gecko à queue plate n’est pas particulièrement modifié pour le vol plané – certains geckos ont des rabats de peau qui ressemblent à des parachutes – il a une certaine capacité à planer et donc à contrôler dans les airs. Pourtant, le vol plané nécessite d’atteindre une vitesse terminale pour que le lézard puisse contrôler dans les airs, et les sauts n’étaient pas assez longs pour cela.
Incapables de planer ou de se ralentir en attendant avant d’atterrir, les geckos particuliers se sont écrasés durement, généralement la tête la première. S’ils ont analysé les trajectoires et la mécanique des geckos tombants, les chercheurs ont découvert que certains accéléraient encore l’influence. La plupart ne pouvaient pas conserver une prise dans l’arbre avec leurs pieds latéraux avant.
Atterrissage Robot automatique. Crédit : Ardian Jusufi Lab
“Nos découvertes sur le terrain de ces petits lézards souples dans la jungle ont révélé des réponses antichute très puissantes que personne ne pensait que ces geckos pourraient exécuter en utilisant leur queue”, a déclaré Jusufi. “Nos observations de l’industrie suggèrent qu’ils s’adapteront au comportement de la queue que l’on pense être pour se percher juste après un vol plané. ”
Les scientifiques ont modélisé mathématiquement le comportement pour confirmer que les vrais voyaient physiquement un sens, mais pour vraiment déterminer ce que les geckos particuliers rencontraient, ils ont décidé de créer un robot souple sur le Max Planck Start qui ressemble au gecko et de le relâcher avec un énorme augmenter dans le mur. De cette façon, ils pourraient mesurer les énergies réellement soutenues par les geckos lorsqu’ils s’écrasent et les forces créées par les pieds.
Ces personnes ont construit le robot à queue à partir de composants fabriqués par une imprimante à jet d’encre 3D de pointe, Carbon M2, spécialement conçue pour imprimer des structures souples. Vos orteils étaient équipés de Velcro pour rester en contact, et à la queue, ces personnes ont également ajouté un système qui le ferait pousser vers le bas lorsque les pattes latérales avant touchaient la surface et glissaient, comme le réflexe final du gecko.
Portrait associé à Ardian Jusufi, gardant l’atterrissage robotisé. Crédit : Ardian Jusufi Lab
Étonnamment, le robot à queue a eu un succès comparable lors d’atterrissages difficiles. Dans le scandale, 87% des geckos avec des queues ont effectivement atterri sur une surface droite sans tomber, tandis que les geckos sans queue sont tombés plus fréquemment. (Les geckos perdent souvent leur queue particulière pour échapper à des prédateurs ou à leurs propres rivaux, et les repoussent plus tard.) tests impliquant la robotique à queue.
Les experts ont également constaté qu’au-delà d’une certaine longueur, les queues plus longues ne sont pas toujours beaucoup mieux que les queues plus petites : la longueur du museau. Les programmes automatisés à queue courte, cependant, nécessitaient deux fois la poussée du pied pour rester attaché à l’arbre particulier.
Complete et Jusufi étudient toujours le comportement associé aux geckos à la recherche de concepts pouvant être appliqués au style des robots – en particulier, des programmes automatisés doux qui peuvent se percher dans les arbres et la propriété sur des zones verticales – mais aussi pour apprendre les racines évolutives des animaux locomotion. L’un des principaux points à retenir, a déclaré Full, est le fait que, bien que les ingénieurs puissent chercher à concevoir le robot parfait, la nature ne le fait en aucun cas.
« L’évolution n’est pas une question d’optimalité et de perfection, mais plutôt d’adéquation. Le remède juste assez bon joue vraiment en vous offrant une large gamme de capacités pour vous assurer que vous êtes beaucoup plus fort dans des conditions difficiles », a déclaré Full. « Evolution ressemble beaucoup plus à un bricoleur qui ne sait jamais exactement ce qu’il va produire et qui utilise tout ce qui est à sa disposition pour faire quelque chose de fonctionnel. ”
« On trouve de plus en plus de petits animaux arboricoles sans adaptations morphologiques apparentes en ce qui concerne le vol pour indiquer une capacité surprenante uniquement pour les manœuvres dans les airs. Des versions physiques robotiques douces peuvent aider à déchiffrer le contrôle particulier de telles solutions par des moyens mécaniques pour obtenir », a déclaré Jusufi.
Référence : deux septembre 2021, Communications Le domaine de la biologie .
DOI : 10. 1038 / s42003-021-02378-6
Les co-auteurs sont Profitez de Siddall, boursier postdoctoral de l’équipe Locomotion in Biorobotic plus Somatic Systems de l’Institut Max Planck, et de l’ancien doctorant de l’UC Berkeley, Greg Byrnes, aujourd’hui professeur associé de biologie au Siena College à Loudenville, New York. . Le travail a été soutenu simplement par des subventions de l’Institut Maximum Planck, du Cyber Valley Analysis Fund, de la Base scientifique nationale de la Suisse et de l’U. Ersus. Armée.
