Le concept de construction d'une structure autonome en tiges – sans l'utilisation des ongles, des cordes ou de la colle – remonte à Leonardo da Vinci. Dans le Codex Atlanticus, Da Vinci a illustré une conception pour un pont autonome à travers une rivière, qui peut être facilement démontrée à l'aide de cure-dents, de correspondances ou de baguettes. Cependant, cette conception est fragile – la mise en œuvre de l'une des tiges ou la poussée du pont d'en bas peut l'effondrement.
En revanche, les nids d'oiseaux – qui sont également des structures autosuffisantes composées de bâtons et de brindilles rigides – sont remarquablement stables malgré des perturbations continues telles que le vent, les vibrations du sol et l'atterrissage ou le décollage des oiseaux. Qu'est-ce qui rend les nids d'oiseaux si robustes?
C'était la question au centre d'un article récent de L. Mahadevan et de son équipe à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas). La recherche est publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
Mahadevan est le professeur Lola England de Valpine de mathématiques appliqués, de biologie organismique et évolutive, et de physique à la mer et à la Faculté des arts et des sciences de Harvard. Le journal a été co-écrit par Thomas Plumb-Reyes et Hao-Yu Greg Lin.
Bien que l'intrication dans de petits systèmes flexibles, tels que les polymères, soit bien compris, on sait moins sur la façon dont les composants macroscopiens sont rigides, en particulier lorsqu'ils sont densément emballés.
« Lorsque nous pensons à l'enchevêtrement, nous pensons généralement à des constituants flexibles et individuels se terminant les uns les autres, comme illustré dans les cordons de casque ou les vignes enchevêtrées », a déclaré Mahadevan. « Contrairement à cette intuition commune, les tiges raides et droites peuvent également s'exincarner – si elles sont assez longues ou minces. »
Pour comprendre comment, les chercheurs ont utilisé la tomographie aux rayons X – une technique qui crée une coupe transversale détaillée d'un objet – ainsi que la simulation et l'expérimentation informatiques pour regrouper à l'intérieur et reconstruire la structure complexe des nids d'oiseaux.
L'équipe a collaboré avec le Harvard Museum of Comparative Zoology, qui a fourni un véritable nid d'oiseau fabriqué à partir de fils en acier.
« Les pigeons sont connus pour nicher près des chantiers de construction et utiliser la ferraille pour faire leurs nids, ce qui a fonctionné pour nous parce que la numérisation des rayons X sur les métaux fournit une image claire pour travailler », a déclaré Yeonsu Jung, boursier postdoctoral en mathématiques appliquées à la mer et au premier auteur du journal.
Après l'imagerie et la cartographie des nids de vrais oiseaux, les chercheurs ont créé les leurs, en utilisant des tiges d'acier avec des rapports longueur / diamètre variables ou des rapports d'aspect. L'équipe de recherche a constaté que le degré d'enchevêtrement dans un tas de tiges dépendait de ce ratio. Si les tiges avaient un ratio d'aspect faible – était trop court et trop large – l'intrication serait faible et localisée à des endroits séparés. Mais les tiges avec un rapport d'aspect élevé – étaient plus longues et plus minces – avaient un enchevêtrement plus fort dans toute la structure.
« En regardant à l'intérieur de ces structures, nous pouvions voir les percolations de l'enchevêtrement », a déclaré Jung. « Pour les tiges avec un ratio d'aspect faible, il pourrait y avoir des poches d'enchevêtrement, mais celles-ci se désagrègeraient et resteraient non connectées. Mais pour les tiges de rapport d'aspect élevé, les choses sont vraiment connectées à l'intérieur et le nid resterait ensemble. »
Contrairement aux polymères et à d'autres filaments microscopiques, l'équipe a également constaté que la friction et la gravité jouent également un rôle dans le maintien de ces systèmes enchevêtrés. L'équipe a constaté que les nids construits avec l'emballage des ratios d'aspect inférieur pouvaient devenir plus enchevêtrés lorsqu'ils sont exposés à la force – dans ce cas, rebondis de haut en bas.
La recherche met en lumière non seulement la façon dont les nids d'oiseaux restent ensemble, mais aussi comment les autres merveilles de l'architecture animale fonctionnent. Il pourrait également être utilisé dans la conception et le contrôle des architectures reconfigurables ou des tissus actifs.
« Le rôle des contraintes topologiques locales, c'est-à-dire que l'incapacité d'un filament pour se déplacer à travers un autre filament à proximité, est ce qui définit un tissage ordonné dans un textile », a déclaré Mahadevan.
« Notre étude de l'enchevêtrement aléatoire des tiges rigides visant à étudier comment les mêmes contraintes topologiques fonctionnent dans un système dominé par le trouble. Contrôlant simultanément le trouble et la topologie pour construire efficacement les nids fonctionnels est quelque chose que le cerveau des oiseaux trouvera clairement.
