Des ingénieurs découvrent les secrets des ailerons de poisson

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Crédit : Unsplash/CC0 Domaine public

Regardez dans n’importe quel bocal à poissons et vous verrez que les poissons rouges et les guppys de compagnie ont des nageoires agiles. Avec quelques coups de ces appendices, les nageurs d’aquarium peuvent tourner en rond, plonger profondément ou même remonter à la surface.

De nouvelles recherches menées par l’Université du Colorado à Boulder ont découvert les secrets d’ingénierie derrière ce qui rend les nageoires de poisson si solides mais flexibles. Les connaissances de l’équipe pourraient un jour conduire à de nouvelles conceptions d’outils chirurgicaux robotiques ou même à des ailes d’avion qui changent de forme en appuyant sur un bouton.

Les chercheurs ont publié leurs résultats le 11 août dans la revue Robotique scientifique.

François Barthelat, auteur principal de l’étude, a noté que les nageoires sont remarquables car elles peuvent réaliser des prouesses de dextérité même si elles ne contiennent pas un seul muscle. (Les poissons déplacent ces structures en contractant des ensembles de muscles situés à la base des nageoires).

« Si vous regardez une nageoire, vous verrez qu’elle est faite de nombreux » rayons «  », a déclaré Barthelat, professeur au département de génie mécanique Paul M. Rady. « Chacun de ces rayons peut être manipulé individuellement, tout comme vos doigts, mais il y en a 20 ou 30 dans chaque nageoire. »

Dans leurs dernières recherches, Barthelat et ses collègues se sont appuyés sur une gamme d’approches, y compris des simulations informatiques et des matériaux imprimés en 3D, pour approfondir la biomécanique de ces structures agiles. Ils rapportent que la clé des nageoires de poisson peut résider dans leur conception unique. Chaque rayon d’une nageoire est composé de plusieurs segments d’un matériau dur qui s’empilent sur un collagène beaucoup plus doux, ce qui en fait l’équilibre parfait entre rebondissant et rigide.

« Vous obtenez cette double capacité où les ailerons peuvent se transformer, et pourtant ils sont toujours assez rigides lorsqu’ils poussent l’eau », a-t-il déclaré.

Armure et avions

Barthelat n’est pas étranger à l’exploration des aquariums. Il a précédemment étudié comment les écailles de poisson peuvent aider les ingénieurs à concevoir de meilleurs gilets pare-balles pour les humains et comment les coquillages pourraient inspirer des lunettes plus résistantes.

Les palmes peuvent être tout aussi utiles. En matière d’ingénierie, a expliqué Barthelat, les matériaux à la fois rigides et flexibles sont un produit très prisé. Les concepteurs d’avions, par exemple, s’intéressent depuis longtemps au développement d’ailes qui peuvent se transformer sur commande, donnant aux avions plus de capacité de manœuvre tout en les gardant en l’air.

« Les avions le font maintenant, dans une certaine mesure, lorsqu’ils lâchent leurs volets », a déclaré Barthelat. « Mais c’est d’une manière rigide. Une aile faite de matériaux de morphing, en revanche, pourrait changer de forme plus radicalement et de manière continue, un peu comme un oiseau. »

Pour comprendre comment les poissons rouges ordinaires réalisent des exploits similaires chaque jour, examinez de près ces structures au microscope. Chacun des rayons d’une nageoire a une structure en couches, un peu comme un éclair de boulangerie : les pointes comprennent deux couches de matériaux rigides et minéralisés appelés hémitriches qui entourent une couche interne de collagène spongieux.

Mais, dit Barthelat, ces couches d’hémitriches ne sont pas solides. Ils sont divisés en segments, comme si quelqu’un avait coupé l’éclair en morceaux de la taille d’une bouchée.

« Jusqu’à récemment, la fonction de ces segments n’était pas claire », a-t-il déclaré.

Nager, voler et marcher

L’ingénieur et son équipe ont décidé d’utiliser des simulations informatiques pour examiner les propriétés mécaniques des ailerons. Ils ont découvert que ces segments peuvent faire toute la différence.

Imaginez un instant, explique Barthelat, que les nageoires des poissons sont entièrement constituées de collagène. Ils pourraient se plier facilement, mais ne donneraient pas beaucoup de traction aux poissons dans l’eau car les forces hydrodynamiques les feraient effondrer. Les rayons constitués d’hémitriches solides et non segmentés, en revanche, auraient le problème inverse : ils seraient beaucoup trop rigides.

« Tous les segments, essentiellement, créent ces minuscules charnières le long du rayon », a déclaré Barthelat. « Lorsque vous essayez de comprimer ou de tirer sur ces couches osseuses, elles ont une rigidité très élevée. Ceci est essentiel pour que le rayon résiste et produise des forces hydrodynamiques qui poussent sur l’eau. Mais si vous essayez de plier des couches osseuses individuelles, elles sont très conforme, et cette partie est essentielle pour que les rayons se déforment facilement à partir des muscles de la base. »

Les chercheurs ont ensuite testé la théorie en utilisant une imprimante 3D pour produire des modèles de nageoires de poisson en plastique, certaines avec ces charnières intégrées et d’autres sans. L’idée a fonctionné : l’équipe a découvert que la conception segmentée offrait de meilleures combinaisons de rigidité et de capacités de morphing.

Barthelat a ajouté que lui et ses collègues n’ont fait qu’effleurer la surface de la grande diversité d’ailerons dans le monde des poissons. Les poissons volants, par exemple, déploient leurs nageoires pour planer au-dessus de l’eau, tandis que les mudskippers utilisent leurs nageoires comme des jambes pour marcher sur terre.

« Nous aimons reprendre là où les biologistes et les zoologistes se sont arrêtés, en utilisant notre expérience en mécanique des matériaux pour approfondir notre compréhension des propriétés étonnantes du monde naturel », a déclaré Barthelat.

Les coauteurs de la nouvelle étude incluent Floren Hannard à l’Université catholique de Louvain en Belgique, Mohammad Mirkhalaf à l’Université de Sydney en Australie et Abtin Ameri au MIT.


Une torsion dans la queue: les poissons volants donnent des indices sur la conception d’un avion à « aile tandem »


Plus d’information:
Florent Hannard et al, Les segmentations dans les ailerons permettent de grandes amplitudes de morphing combinées à une grande rigidité en flexion pour les matériaux robotiques inspirés des poissons, Robotique scientifique (2021). DOI : 10.1126/scirobotics.abf9710

Fourni par l’Université du Colorado à Boulder

Citation: Des ingénieurs découvrent les secrets des ailerons de poisson (2021, 11 août) récupéré le 11 août 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-08-uncover-secrets-fish-fins.html

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