L'anatomie de la nageoire du régalec inspire un robot sous-marin silencieux

Les nageoires du régalec inspirent un robot sous-marin plus silencieux

Lorsque le roboticien Rob Shepherd a commencé à travailler sur un grand robot sous-marin destiné à nager silencieusement afin de ne pas effrayer les créatures marines, il a cherché des pistes de conception dans un endroit inattendu : le régalec. Ce poisson de plusieurs mètres de long, rarement rencontré par l'homme, se déplace dans l'eau grâce à une nageoire dorsale en forme de ruban qui ondule en vagues. Ce système de propulsion par vagues, soupçonnait Shepherd, pourrait se traduire en principes d'ingénierie pour une machine qui glisse plutôt qu'elle ne se débat.

Pour mieux comprendre le poisson, Shepherd a contacté Willy Bemis, un ichtyologiste à la retraite de Cornell. Bemis, professeur émérite d'écologie et de biologie évolutive au College of Agriculture and Life Sciences, se souvient que Shepherd l'avait appelé pour lui faire part de son intérêt pour le régalec — et Bemis lui a répondu que l'intérêt était réciproque. Ce bref échange a lancé une collaboration visant à étudier les rayons inhabituels de la nageoire dorsale du régalec.

Une anatomie conçue pour la propulsion par vagues

Les régalecs sont des animaux saisissants, avec des corps en forme de ruban et une répartition mondiale. Seules deux espèces sont reconnues, et elles habitent les océans du monde entier jusqu'à environ 1 000 pieds (305 mètres) de profondeur. Ils sont énormes : les plus grands individus sont estimés atteindre environ 8 mètres, soit près de 26 pieds, ce qui fait du régalec géant le plus long poisson osseux vivant. Malgré cela, ces géants se nourrissent de minuscules crustacés plutôt que de grosses proies.

Leur nageoire dorsale les distingue. Elle contient des centaines de structures squelettiques semblables à des os appelées rayons de nageoire qui se projettent depuis le dos du poisson. Ces rayons ne se contentent pas de rigidifier la nageoire ; ils se déplacent selon une séquence coordonnée, créant des vagues le long de la membrane qui les relie. Les vagues progressives poussent le poisson vers l'avant. Le résultat est une forme de propulsion fluide et continue, très différente des queues oscillantes ou des appendices battants utilisés par de nombreux autres poissons.

• Deux espèces de régalecs reconnues sont réparties dans les océans du monde.
• Ils peuvent vivre à des profondeurs allant jusqu'à environ 305 mètres (1 000 pieds).
• Le régalec géant peut atteindre environ 8 mètres de long, ce qui en fait le plus long poisson osseux.
• Leur régime alimentaire est composé de petits crustacés.
• Des centaines de rayons de nageoire dorsale travaillent ensemble pour créer des vagues propulsives.

Un premier regard sur des rayons de nageoire de type joystick

Une nouvelle étude publiée le 30 septembre dans la revue Ichthyology and Herpetology fournit la première description de l'anatomie et de la série de muscles qui permettent à chacun des rayons de la nageoire du régalec de tourner indépendamment sur un cercle complet. Le mouvement a été comparé à un joystick, et il donne au poisson un contrôle précis et multidirectionnel sur chaque rayon — une capacité qui aide à expliquer comment la nageoire peut générer des vagues aussi complexes.

Bemis est l'auteur principal de l'article. Shepherd, titulaire de la chaire John F. Carr de génie mécanique au Cornell Duffield College of Engineering, est co-auteur. Gabriel Afonso, ancien chercheur invité dans le laboratoire de Bemis et aujourd'hui doctorant au Virginia Institute of Marine Science, est le premier auteur.

Un contrôle indépendant au niveau d'un seul rayon

La capacité de chaque rayon à pivoter sur un cercle complet signifie que la nageoire n'est pas une feuille passive. Il s'agit plutôt d'un ensemble activement contrôlé de centaines d'éléments mobiles. En ajustant l'orientation des rayons individuels, le poisson peut façonner la vague qui se propage le long de la membrane de la nageoire, en réglant la poussée produite. Pour les ingénieurs, ce type de contrôle distribué et fin est attrayant : il suggère un système de propulsion qui peut être modulé sans grandes pièces mobiles bruyantes.

Pourquoi les régalecs sont si difficiles à étudier

Beaucoup de choses sur le régalec restent mystérieuses, et la difficulté de les étudier en est une raison majeure. Lorsque les poissons meurent, leurs corps ont tendance à se briser en segments, de sorte que les spécimens intacts sont rares. Cela rend le travail anatomique difficile et aide à expliquer pourquoi des questions fondamentales sur leurs rayons de nageoire sont restées sans réponse si longtemps. Le compte rendu détaillé des muscles des rayons de nageoire dans le nouvel article comble donc une lacune notable.

L'habitat profond des animaux ajoute un autre obstacle. Vivant à des centaines de pieds sous la surface, ils sont rarement observés vivants, et leur taille et leur fragilité compliquent les efforts pour les collecter ou les examiner. La collaboration entre un roboticien et un ichtyologiste a offert une voie à suivre : les questions d'ingénierie sur la propulsion ont mis en lumière des caractéristiques anatomiques qui n'avaient pas été entièrement décrites, tandis que la biologie du poisson fournissait un modèle naturel pour le robot.

Du poisson des grands fonds à la conception d'ingénierie

L'attrait du régalec pour la robotique réside dans son silence. Un grand robot sous-marin qui se déplace avec des vagues progressives le long d'une nageoire flexible pourrait fonctionner avec moins de mouvements brusques et énergivores, réduisant ainsi la perturbation qu'il crée. Cela compte pour les missions dont l'objectif est d'observer la vie marine sans modifier son comportement. Un véhicule qui glisse dans l'eau avec un mouvement continu et ondulant pourrait se fondre dans l'environnement plus facilement qu'un engin propulsé par des hélices ou des ailes oscillantes.

Le régalec démontre également qu'un tel système peut fonctionner à grande échelle. Le corps du poisson peut atteindre plusieurs mètres de long, et sa nageoire produit toujours une propulsion efficace grâce à l'action coordonnée de centaines de rayons. Cela suggère que le principe sous-jacent peut être mis à l'échelle, ce qui est pertinent pour un robot décrit comme grand.

Ce que la recherche pourrait signifier pour la robotique marine

L'étude ne présente pas un robot fini ; elle établit la base anatomique qui pourrait en inspirer un. En documentant comment chaque rayon de nageoire est musclé et contrôlé, les chercheurs donnent aux ingénieurs un modèle à suivre. Un futur véhicule pourrait imiter les rayons de la nageoire avec des éléments actionnés individuellement qui tournent pour générer une vague progressive. Une telle conception pourrait offrir à la fois furtivité et manœuvrabilité, permettant à un robot de faire du surplace, de tourner ou d'accélérer en reconfigurant la vague plutôt qu'en modifiant la vitesse d'une hélice.

Des questions pratiques restent à résoudre. Intégrer des centaines d'éléments à rotation indépendante dans un véhicule marin exigerait des actionneurs robustes et compacts et un système de contrôle capable de les coordonner. L'environnement océanique est corrosif et imprévisible, et une membrane de nageoire flexible doit résister à des flexions répétées. Pourtant, le système biologique montre que ces défis sont solubles en principe : le régalec le fait depuis des millions d'années.

Un organisme modèle pour une propulsion silencieuse

La recherche souligne également la valeur du travail interdisciplinaire. Shepherd a apporté un problème d'ingénierie — comment nager silencieusement à grande échelle — à Bemis, qui a apporté des décennies d'expertise ichtyologique. Leur effort conjoint, avec Afonso comme premier auteur, a produit une description de l'anatomie des rayons de nageoire qui manquait. C'est un rappel que certaines des idées de conception les plus utiles peuvent se cacher dans des organismes rarement vus et difficiles à collecter.

Pour l'instant, la nageoire du régalec reste à la fois une énigme biologique et une source d'inspiration en ingénierie. Alors que les roboticiennes et roboticiennes cherchent des moyens d'explorer l'océan avec une perturbation minimale, la nageoire en ruban du poisson et ses centaines de rayons semblables à des joysticks offrent un modèle convaincant — un modèle qui pourrait éventuellement aider de grands robots sous-marins à nager aussi silencieusement que les animaux qu'ils sont conçus pour observer.

Cet article est basé sur un reportage de Phys.org. Lire l'article original.