Alors qu'un python des broussailles long et nerveux se fraye un chemin de branche en branche sur un arbre, il peut se relever sans effort pour grimper sur un perchoir plus élevé. Mais comment fait-il ? Sans bras ni jambes pour se maintenir, comment ne pas basculer ? Il contrôle uniquement la partie qui compte.
Au lieu d'exercer un effort énorme pour raidir tout leur corps afin de se tenir debout, les serpents grimpant aux arbres peuvent concentrer leur énergie de flexion et leur activité musculaire dans une petite région à leur base, rapportent des chercheurs le 25 février dans le journal. Interface du Journal de la Royal Society. L'analyse mathématique de l'équipe suggère que l'association d'une telle stratégie à une coordination musculaire de tout le corps pourrait aider les serpents à se tenir debout tout en dépensant le moins d'énergie possible.
« Les serpents sont un peu comme des cordes musculaires », explique le bio-ingénieur et roboticien David Hu de Georgia Tech à Atlanta, qui n'a pas participé à l'étude. « Et ils peuvent essentiellement réaliser des tours de magie, en fléchissant leur corps et en empêchant [themselves] de tomber. »
Dans une étude antérieure, le zoologiste Bruce Jayne de l'Université de Cincinnati et un collègue ont montré que lorsque les serpents défiant la gravité se déplacent vers le haut, ils activent un muscle le long de leur colonne vertébrale. Dans la nouvelle étude, Jayne et ses collaborateurs ont examiné comment les serpents gèrent ce décollage sans membres sans se plier sous leur propre poids.
L’équipe a filmé quatre serpents – trois serpents arboricoles bruns (Boiga irrégulier) et un python de gommage (Simalia amesthistine) — traversant verticalement les espaces entre les perchoirs dans le laboratoire. Les images ont montré que les créatures se contorsionnaient de manière fiable en forme de S pour ce faire, surtout si l'écart était grand. Les serpents étaient courbés au maximum près de l’endroit où ils étaient perchés. Au-dessus, ils étaient presque verticaux, comme un grand poteau droit – avec peu ou pas d’inclinaison, la gravité n’avait presque aucun effet de levier pour les renverser.
Pour comprendre les forces impliquées, les physiciens ont modélisé mathématiquement la créature comme un filament élastique actif – une structure souple qui peut détecter sa propre forme et activer les muscles en réponse – et ont exploré deux stratégies pour permettre au serpent de se tenir debout. Dans l’un, chaque partie du corps répond localement à sa propre courbure. Dans l’autre, l’activité musculaire – bien que toujours concentrée vers le bas – se coordonne dans tout le corps pour minimiser l’énergie nécessaire pour se tenir debout.
Les deux approches reproduisaient la forme en S, la majeure partie de la courbure étant concentrée près du perchoir. Mais la stratégie de coordination mondiale exigeait moins de force. Et dans ce scénario, la force de flexion diminuait à mesure que le serpent s’élevait dans les airs. Étant donné que la deuxième approche minimise à la fois la force et l’énergie, les chercheurs soupçonnent que même les vrais serpents emploient une stratégie similaire pour que se tenir debout soit aussi économe en énergie que possible.
Les calculs suggèrent également que même si les serpents utilisent relativement peu de force pour prendre la pose, ils dépensent beaucoup plus d'énergie pour rester debout. Dans les vidéos, les serpents les plus grands se balancent légèrement d’un côté à l’autre, ce qui suggère qu’ils exercent activement leurs muscles pour maintenir leur équilibre.
Les résultats pourraient aider à la conception de robots ressemblant à des serpents, qui pourraient être utilisés dans les explorations spatiales et sous-marines et dans l'étude des sites sinistrés. « Il serait intéressant de voir si ces idées de contrôle et de rétroaction peuvent être utilisées pour construire des robots que vous pouvez contrôler plus facilement ou utiliser moins d'énergie électrique pour leur donner les formes souhaitées », explique Ludwig Hoffmann, co-auteur de l'étude et mathématicien appliqué à l'Université Harvard.
