Des scientifiques de Harvard ont utilisé l’impression 3D afin de produire une réplique à l’échelle de la peau d’un requin mako qui a démontré comment des écailles microscopiques ressemblant à des dents améliorent l’efficacité de la nage du requin. L’étude a été publiée dans The Journal of Experimental Biology.
La peau d’un requin peut sembler brillante et lisse alors qu’ils glissent élégamment dans l’eau, mais un examen plus approfondi révèle qu’elle est en fait parsemée de millions de minuscules écailles tridimensionnelles qui se chevauchent, appelées denticules, qui perturbent le modèle d’écoulement de l’eau sur le requin et aident ainsi à la nage. Ces structures intrigantes ont inspiré les scientifiques au fil des ans dans le domaine de la biomimétique, qui consiste à imiter les systèmes biologiques dans la conception. En particulier, les chercheurs ont essayé de modéliser la peau des requins afin de réduire la traînée, ce qui a même été tenté dans la conception des voitures de course.
Les efforts précédents pour étudier comment précisément ces denticules confèrent des avantages dans la locomotion ont échoué en raison des difficultés à reproduire ces structures complexes, ce qui signifie que les modèles ont dû être simplifiés. Les modèles ont également été placés sur des structures rigides qui ne tiennent pas compte de la façon dont les requins se plient et fléchissent pendant la nage.
Pour tenter de surmonter ces limites, les scientifiques de Harvard ont prélevé un échantillon de peau d’un requin mako à nageoires courtes et l’ont scanné en utilisant l’imagerie micro-CT. Cela a permis à l’équipe de construire un modèle 3D incroyablement détaillé d’un seul denticile d’à peine 0,15 mm de long, qu’ils ont ensuite répété des milliers de fois. Maintenant, la partie vraiment délicate – développer une méthode pour reproduire avec précision les denticules sur une peau synthétique souple.
« Après avoir envisagé un certain nombre d’approches, nous avons décidé que la seule façon d’intégrer des denticules durs dans un substrat flexible était l’imprimante 3D », a déclaré le professeur Lauder, chercheur principal de l’étude. « Nous avons dû trouver comment les imprimer avec plusieurs matériaux… Les denticules sont intégrées dans la membrane et se chevauchent, ce qui a posé un défi clé. »
Après environ un an d’essais et d’erreurs, les scientifiques étaient satisfaits de leur résultat. En raison des limites imposées par les imprimantes 3D en matière de résolution, les denticules étaient environ 10 fois plus grandes que celles trouvées sur les requins mako.
L’équipe a ensuite revêtu un dispositif robotique de cette peau artificielle et l’a testé dans l’eau. Le dispositif pouvait soit être maintenu immobile, soit être déplacé pour imiter la nage. L’avantage que ces denticules ont légué a été immédiatement apparent ; la peau dentée artificielle a augmenté la vitesse de nage de 6,6 % par rapport à un dispositif doté d’un revêtement de contrôle lisse. En outre, la peau de requin artificielle a réduit la dépense énergétique de 5,9 %.
« C’est un effet énorme, lorsqu’il est pris en compte sur toute la durée de vie d’un animal qui nage constamment », a déclaré Lauder à la BBC.
Intéressant, les scientifiques ont également constaté que les plus grands avantages véhiculés par les denticules se produisaient à des vitesses plus lentes, lorsque le requin se promène par opposition à la propulsion dans l’eau pour attaquer une proie.
En prenant des images du flux d’eau lorsque le dispositif était en mouvement, l’équipe a pu discerner que les denticules produisaient également un tourbillon de bord d’attaque plus fort que le contrôle lisse, qui est un tourbillon à basse pression produit par le mouvement du dispositif. Selon M. Lauder, cette découverte pourrait être très importante, car elle suggère que les denticules ne se contentent pas de réduire la traînée, mais qu’elles peuvent en fait augmenter la poussée. « Cela peut aider à aspirer le poisson vers l’avant », a-t-il ajouté.
Les scientifiques poursuivent actuellement leurs travaux en bidouillant les denticules, en modifiant leur forme et leur disposition afin d’avoir une meilleure idée de ce qui provoque cet effet apparent. Mais selon Lauder, il faudra probablement attendre un certain temps avant de voir des maillots de bain habillés de denticules.