Regardez rapidement cette truite qui nage en amont. Ne remarquez-vous rien d’inhabituel ?
Crédit image : Beal, et al. Propulsion passive dans les sillages tourbillonnaires. Journal of Fluid Mechanics
Vous avez probablement vu quelque chose de similaire un nombre incalculable de fois ; le poisson se tortille contre les courants qui le poussent en arrière, progressant lentement jusqu’à ce qu’il tourne et s’esquive hors de l’influence du courant. Rien de spécial à cela.
La seule chose est que ce poisson particulier est mort.
Oui, vous avez bien lu. Peu importe à quel point elle semble vivante lorsqu’elle ondule dans l’aquarium, cette même truite se retrouverait le ventre en l’air si le courant était coupé. Alors comment peut-elle remonter le courant ? Une équipe de chercheurs du MIT et de Harvard a été tout aussi surprise lorsqu’elle a découvert ce phénomène par hasard. Ils avaient étudié la façon dont les truites vivantes conservent leur énergie en nageant derrière des obstacles qui bloquent le courant*, et ont placé sans le vouloir un poisson mort dans le dispositif expérimental. Lorsqu’ils ont regardé de plus près, ils ont été stupéfaits.
« C’était incroyable, très contre-intuitif », déclare Michael Triantafyllou, chercheur au MIT, décrivant le choc qu’il a ressenti en voyant le poisson nager en amont. Il explique que s’il savait que les truites étaient douées pour conserver et même extraire de l’énergie, il n’avait aucune idée qu’elles seraient capables d’extraire suffisamment d’énergie du fluide environnant pour nager en amont sans dépenser aucune de leur propre énergie. L’équipe a immédiatement commencé à étudier ce nouveau phénomène, apparemment impossible.
Il s’avère que les objets qui bloquent le flux naturel de l’eau, comme un rocher ou un bateau, créent une série de tourbillons complexes dans le courant lorsque l’eau traverse l’obstacle. Comme le savent tous ceux qui ont essayé d’attraper un poisson, les poissons sont assez flexibles le long de leur colonne vertébrale, ce qui permet à la tête et à la queue de bouger indépendamment l’une de l’autre. Dans certaines situations, le réseau de tourbillons qui se forme derrière un obstacle fait que le corps et la queue battent en résonance. Cela incline le corps de telle sorte que les tourbillons, qui provoquent une chute de pression, appliquent une force de succion qui propulse le poisson vers l’avant.
Connu sous le nom de « rue à tourbillons », ce comportement fluide émerge à une large gamme d’échelles – des rivières aux cieux.
Crédit image : Cesareo de la Rosa Siqueira
Comme l’explique Triantafyllou, « vous avez un écoulement derrière l’obstacle, qui crée un flux continu de tourbillons. Chaque tourbillon contient de l’énergie et fait également baisser la pression dans le fluide… le tourbillon fait battre le corps d’avant en arrière, et le poisson parvient à extraire de l’énergie. » Comme toute l’énergie est fournie par les tourbillons, il importe peu que le poisson soit vivant ou mort, si le moment se trouve être le bon.
Dans un monde où nous essayons toujours d’améliorer l’efficacité, cette découverte a des implications évidentes pour les véhicules aquatiques. En fait, M. Triantafyllou affirme qu’un facteur limitatif important dans notre exploration des océans est le fait que les dispositifs robotiques qui sont souvent employés ont tendance à avoir une très courte durée de vie de la batterie, généralement seulement 8 heures. En créant de nouveaux appareils sur le modèle de la truite, nous pourrions pratiquement éliminer cette contrainte.
Il y a, bien sûr, un hic. Ce groupe de chercheurs a eu beaucoup de chance de tomber sur ce phénomène, car pour que le poisson puisse extraire suffisamment d’énergie du courant pour surmonter sa propre résistance, il doit être positionné très soigneusement : trop loin, et les tourbillons ne sont pas assez puissants ; trop près, et la succion de l’obstacle l’attire. Lorsqu’ils ont mis en place l’expérience avec une truite morte, ils ont accidentellement touché le point idéal, mais, comme le fait remarquer M. Triantafyllou, « si vous voulez le faire dans la vie réelle, vous ne pouvez pas compter sur les accidents. » Au lieu de cela, les poissons vivants sont dotés de capteurs extraordinaires qui leur permettent de créer une carte du flux de l’eau afin qu’ils puissent ajuster leurs positions pour être aussi énergétiquement favorables que possible.
Il est clair qu’avant que la prochaine génération de robots puisse commencer ses explorations, nous devrons les équiper de capteurs similaires. Alors que le projet de poisson mort a été achevé il y a plus de dix ans, Triantafyllou travaille actuellement avec ses partenaires Gabriel Weymouth (de l’Université de Southampton) et Jianmin Miao (de l’Université technologique de Nanyang) pour développer cette technologie – en s’inspirant une fois de plus de la nature.
L’un de leurs projets examine la « ligne latérale » du poisson, un organe mis en évidence par une rangée d’écailles en pointillés le long des flancs du poisson qui peut détecter la vitesse et la pression de l’eau qui l’entoure. Bien que la structure physique des unités sensorielles soit raisonnablement bien comprise – pour faire simple, il s’agit de faisceaux de cellules ciliées encapsulées dans une matière gélatineuse – il est extrêmement difficile d’effectuer les calculs nécessaires pour reconstruire une carte spatiale à partir de l’entrée de chaque capteur.
Une autre approche prometteuse vient plutôt du phoque commun. Ces prédateurs possèdent des moustaches extrêmement sensibles qui peuvent détecter les perturbations laissées par une proie potentielle jusqu’à 30 secondes après son passage. Il est également capable de distinguer la forme de base (carré, triangle) d’un objet se déplaçant dans l’eau. Le groupe de Triantafyllou a réussi à imprimer en 3D des « moustaches » calquées sur les vraies, qui présentent une qualité « ondulée » en fonction de leur diamètre.
Ce travail, qui intègre des éléments de biologie, de mécanique des fluides et d’ingénierie, n’est qu’un exemple de biomimétisme, un domaine qui a contribué à des innovations telles que le Velcro et le verre résistant aux oiseaux. Comme le décrit M. Triantafyllou, la biomimétique consiste à « apprendre gratuitement des organismes naturels pour trouver des solutions vraiment ingénieuses ». L’idée est que, puisque l’évolution est essentiellement un gigantesque système d’optimisation – sélection de la forme de corps la plus efficace pour nager à contre-courant, par exemple – nous pouvons tirer parti des solutions d’ingénierie qui ont déjà été développées au cours de ce processus. Il est clair que ce trésor d’ingéniosité organique est une formidable ressource naturelle que nous ne faisons que commencer à exploiter.
-Eleanor Hook
*Par hasard, on suppose que c’est la raison pour laquelle les poissons nagent en bancs ; ceux qui nagent dans le sillage de leurs compagnons dépensent beaucoup moins d’énergie qu’ils ne le feraient autrement. Pour en savoir plus, consultez notre podcast et notre article de 2015 : « Flocons et fluides »