Oh Snap! Comment les coléoptères cliquables utilisent un principe de base du génie mécanique

Les chercheurs de l'Illinois Aimy Wissa, Marianne Alleyne et Ophelia Bolmin ont étudié le mouvement du saut d'un scarabée clic et présentent le premier cadre analytique pour découvrir la physique derrière le mouvement ultra-rapide chez les petits animaux.

Université de l’Illinois rles chercheurs peuvent maintenant expliquer les mécanismes physiques derrière la manœuvre de cliquetis des coléoptères.

Appartenant à la famille Elateroidea, un scarabée clic (ou coléoptère serpentin) se caractérise par son mécanisme de clic. Un coléoptère clic peut se propulser sur plus de 20 longueurs de corps dans les airs en utilisant un outil unique en forme de charnière dans leur thorax, juste derrière la tête, pour sauter.

Une colonne vertébrale sur son prosternum peut être enclenchée dans une encoche correspondante (cheville) sur son mésosternum qui peut se détacher et lancer le coléoptère dans les airs. Le bruit de claquement ou de claquement est un mécanisme de défense pour éviter la prédation, et est utile lorsque le coléoptère est sur le dos et doit se remettre sur pied.

Les chercheurs de l'Illinois Aimy Wissa, Marianne Alleyne et Ophelia Bolmin ont étudié le mouvement du saut d'un scarabée clic et présentent le premier cadre analytique pour découvrir la physique derrière le mouvement ultra-rapide chez les petits animaux.Les chercheurs de l’Illinois Aimy Wissa, Marianne Alleyne et Ophelia Bolmin ont étudié le mouvement du saut d’un scarabée clic et présentent le premier cadre analytique pour découvrir la physique derrière le mouvement ultra-rapide chez les petits animaux.L. Brian Stauffer

Bien que le mouvement du saut ait été abondamment décrit, les mécanismes physiques qui permettent la manœuvre ne l’ont pas été. UNE étude multidisciplinaire, dirigée par des professeurs de sciences mécaniques et d’ingénierie de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign Aimy Wissa et Alison Dunn, professeur d’entomologie Marianne Alleyneet Ophelia Bolmin, étudiante diplômée en sciences mécaniques et en génie et auteur principal, a examiné les forces derrière cette libération d’énergie ultra-rapide.

Leur étude, publiée dans le Actes de cette National Academy of Science, examine le flux d’énergie entre le muscle, la cuticule dure et molle et les structures du corps.

dans le vidéo (voir ci-dessous), Dunn a expliqué que leur recherche explorait deux questions: 1. Comment l’énergie est-elle stockée et libérée à travers le corps pour produire le saut puissant sans utiliser ses jambes? 2. Quelle anatomie spécifique contribue au flux d’énergie, à la manœuvre de flexion rapide ou de clic?

Comment fonctionne la charnière

Pour déterminer le fonctionnement de la charnière, l’équipe a utilisé des rayons X à haute vitesse pour observer et quantifier la façon dont les parties du corps d’un scarabée à clic se déplacent avant, pendant et après la libération d’énergie ultra-rapide.

« Le mécanisme de la charnière a une cheville d’un côté qui reste verrouillée sur une lèvre de l’autre côté de la charnière », a déclaré Alleyne. « Lorsque le loquet est relâché, il y a un clic audible et un mouvement rapide de flexion qui provoque le saut du scarabée. »

Le mouvement ultra-rapide peut être vu à l’aide d’une caméra à lumière visible et a aidé les chercheurs à comprendre ce qui se passe en dehors du coléoptère. Et pour comprendre comment l’anatomie interne du coléoptère contrôle le flux d’énergie entre le muscle, d’autres structures molles et l’exosquelette rigide, les chercheurs ont utilisé des enregistrements vidéo radiographiques et un outil analytique appelé identification du système.

Lorsque l’équipe de recherche a modélisé les forces et les phases du mouvement de cliquetis, ils ont observé des déformations importantes, mais relativement lentes, dans la partie des tissus mous de la charnière du coléoptère avant le mouvement rapide et inflexible.

«Lorsque la cheville dans la charnière glisse sur la lèvre, la déformation dans les tissus mous est libérée extrêmement rapidement, et la cheville oscille d’avant en arrière dans la cavité sous la lèvre avant de s’arrêter», a déclaré Wissa. «La libération rapide de la déformation et les oscillations répétées, mais décroissantes, présentent deux principes d’ingénierie de base appelés recul élastique et amortissement.

L’accélération de ce mouvement est plus de 300 fois celle de l’accélération gravitationnelle de la Terre, ont noté les chercheurs. «Étonnamment, le scarabée peut répéter cette manœuvre de clic sans subir de dommages physiques importants», a déclaré Dunn. «Cela nous a poussés à nous concentrer sur la détermination de ce que les coléoptères utilisent pour stocker, libérer et dissiper l’énergie.»

Bolmin a déclaré que le coléoptère utilise un phénomène appelé flambage pour libérer de l’énergie élastique extrêmement rapidement. Ce principe de base de l’ingénierie mécanique est le même principe que celui que l’on trouve dans les jouets sauteurs à popper, a-t-elle expliqué.

«Nous avons été surpris de constater que les coléoptères utilisent ces principes d’ingénierie de base», a déclaré Wissa. «Si un ingénieur voulait construire un appareil qui saute comme un scarabée cliquable, il le concevrait probablement de la même manière que la nature.

L’ingénierie rencontre la biologie

L’étude sur les coléoptères fournit des lignes directrices pour étudier les mouvements extrêmes, le stockage d’énergie et la libération d’énergie chez d’autres petits animaux, tels que les fourmis à mâchoires-pièges et les crevettes mantes. Les chercheurs considèrent ce travail être un excellent exemple de la façon dont l’ingénierie peut apprendre de la nature et comment la nature démontre les principes de la physique et de l’ingénierie.

«Ces résultats sont fascinants du point de vue de l’ingénierie, et pour les biologistes, ce travail nous donne une nouvelle perspective sur comment et pourquoi les coléoptères cliquables ont évolué de cette façon», a déclaré Alleyne. «Ce genre de perspective ne s’est peut-être jamais manifesté, si ce n’est cette collaboration interdisciplinaire entre l’ingénierie et la biologie. Cela ouvre une nouvelle porte pour les deux domaines. »

Accéder à l’étude

Ophelia Bolmin et al., «L’élasticité non linéaire et l’amortissement régissent la dynamique ultra-rapide chez les coléoptères cliquables», PNAS (2020).