Des chercheurs de l'Université de Binghamton étudient comment les fourmis de feu forment des radeaux flottants pour survivre aux inondations, dans le but d'appliquer ces mécanismes biologiques à la science des matériaux. L'équipe a étudié les propriétés adaptatives et mécaniques de ces radeaux de fourmis, découvrant qu'elles présentent un comportement unique de « liaison de capture » qui se renforce sous l'effet du stress. Ces recherches pourraient conduire au développement de matériaux innovants qui s’auto-renforcent en réponse à des contraintes mécaniques, avec des applications potentielles dans divers domaines, notamment les implants biomédicaux et la robotique douce. Crédit : Robert Wagner
Une nouvelle étude examine la manière dont les « radeaux » de fourmis se rassemblent pour assurer leur survie lors des inondations.
Les fourmis de feu forment des radeaux pour survivre aux inondations, mais comment fonctionnent ces liens ? Et que pouvons-nous en apprendre ? Un professeur de l'Université de Binghamton, de l'Université d'État de New York, étudie ces questions pour élargir nos connaissances en science des matériaux.
Lorsqu’une inondation frappe une région où vivent les fourmis de feu, leur réponse de survie consiste à s’accrocher ensemble pour former un « radeau » flottant qui flotte et maintient la colonie unie. Considérez-le comme un matériau condensé et adaptatif où les éléments constitutifs – les fourmis individuelles – sont réellement vivants.
Le professeur adjoint de l'Université de Binghamton, Rob Wagner, a dirigé la recherche dans le cadre du laboratoire de mécanique de la matière molle de Vernerey à l'Université du Colorado à Boulder, dans lequel ils ont étudié la réponse adaptative de ces radeaux vivants. Les objectifs sont de comprendre comment ils se transforment et modifient de manière autonome leurs propriétés mécaniques, puis d'incorporer les découvertes les plus simples et les plus utiles dans les matériaux artificiels.
« Les systèmes vivants m'ont toujours fasciné, car ils réalisent des choses que nos matériaux techniques actuels ne peuvent pas réaliser, même pas », a-t-il déclaré. « Nous fabriquons des systèmes polymères en vrac, des métaux et des céramiques, mais ils sont passifs. Les constituants ne stockent pas l’énergie pour ensuite la convertir en travail mécanique comme le fait tout système vivant. »
Wagner considère ce stockage et cette conversion d'énergie comme essentiels pour imiter les comportements intelligents et adaptatifs des systèmes vivants.
Comparaison des radeaux de fourmis aux polymères
Dans leur plus récente publication dans le Actes de l'Académie nationale des sciencesWagner et ses co-auteurs de l'Université du Colorado ont étudié comment les radeaux de fourmis de feu réagissaient à une charge mécanique lorsqu'ils étaient étirés, et ils ont comparé la réponse de ces radeaux à des polymères dynamiques et auto-réparateurs.
« De nombreux polymères sont maintenus ensemble par des liaisons dynamiques qui se brisent mais peuvent se reformer », a déclaré Wagner. « Lorsqu'elles sont tirées assez lentement, ces liaisons ont le temps de restructurer le matériau de sorte que, au lieu de se fracturer, il coule comme le slime avec lequel nos enfants jouent ou comme une glace molle. Cependant, lorsqu'on le tire très vite, il se brise davantage comme de la craie. Puisque les radeaux sont maintenus ensemble par des fourmis qui s’accrochent les unes aux autres, leurs liens peuvent se briser et se reformer. Alors mes collègues et moi avons pensé qu’ils feraient la même chose.
Mais Wagner et ses collaborateurs ont découvert que quelle que soit la vitesse à laquelle ils tiraient les radeaux de fourmis, leur réponse mécanique était presque la même et ils ne coulaient jamais. Wagner suppose que les fourmis resserrent et prolongent par réflexe leurs prises lorsqu'elles ressentent une force parce qu'elles veulent rester ensemble. Soit ils refusent, soit ils désactivent leur comportement dynamique.
Expérience visant à tester la manière dont les radeaux de fourmis de feu réagissaient à une charge mécanique lorsqu'ils étaient étirés. Crédit : Robert Wagner
Ce phénomène de liens qui se renforcent lorsqu’une force leur est appliquée est appelé comportement de liaison de capture, et il améliore probablement la cohésion de la colonie, ce qui est logique pour la survie.
« Lorsque vous tirez sur des liens typiques avec une certaine force, ils vont se lâcher plus tôt et leur durée de vie diminue – vous affaiblissez le lien en tirant dessus. C’est ce que l’on voit dans presque tous les systèmes passifs », a déclaré Wagner. « Mais dans les systèmes vivants, en raison de leur complexité, vous pouvez parfois avoir des liaisons qui durent plus longtemps sous une certaine plage de force appliquée. Certaines protéines le font de manière mécanique et automatique, mais ce n'est pas comme si les protéines prenaient une décision. Ils sont simplement disposés de telle manière que lorsqu'une force est appliquée, elle révèle ces sites de liaison qui se verrouillent ou « attrapent ».
Wagner estime que l'imitation de ces liaisons d'accrochage dans des systèmes techniques pourrait conduire à des matériaux artificiels présentant un auto-renforcement autonome et localisé dans des régions soumises à des contraintes mécaniques plus élevées. Cela pourrait améliorer la durée de vie des implants biomédicaux, des adhésifs, des composites de fibres, des composants robotiques souples et de nombreux autres systèmes.
Les agrégations collectives d’insectes, comme les radeaux de fourmis de feu, incitent déjà les chercheurs à développer des matériaux dotés de propriétés et de comportements mécaniques sensibles aux stimuli. Un papier dans Matériaux naturels plus tôt cette année – dirigé par le Ware Responsive Biomaterials Lab de Texas A&M et incluant les contributions de Wagner et de son ancien directeur de thèse, le professeur Franck J. Vernerey – démontre comment des rubans constitués de gels spéciaux ou de matériaux appelés élastomères à cristaux liquides peuvent s'enrouler en raison du chauffage, puis s'entremêlent les uns avec les autres pour former des structures condensées et solides inspirées par ces fourmis
« Une progression naturelle de ce travail consiste à déterminer comment nous pouvons faire en sorte que les interactions entre ces rubans ou d'autres éléments de construction souples » captent « sous charge comme le font les fourmis de feu et certaines interactions biomoléculaires », a déclaré Wagner.
