Retournez un homard sur le dos, et vous verrez que le dessous de sa queue est divisé en segments reliés par une membrane translucide qui semble plutôt vulnérable par rapport à la carapace en forme d'armure qui protège le reste du crustacé.

Mais les ingénieurs du MIT et d'ailleurs ont découvert que cette membrane souple est étonnamment résistante, avec un microscopique, en couches, structure en contreplaqué qui le rend remarquablement tolérant aux éraflures et aux coupures. Ce film d'une dureté trompeuse protège le ventre du homard alors que l'animal se précipite sur le fond rocheux.

La membrane est également extensible, à un degré, qui permet au homard de fouetter sa queue d'avant en arrière, et rend difficile pour un prédateur de mâcher la queue ou de la séparer.

Cette souplesse peut venir du fait que la membrane est un hydrogel naturel, composé à 90 pour cent d'eau. Chitine, un matériau fibreux présent dans de nombreux coquillages et exosquelettes, compose l'essentiel du reste.

Les résultats de l'équipe montrent que la membrane de homard est le matériau le plus résistant de tous les hydrogels naturels, y compris le collagène, peaux d'animaux, et caoutchouc naturel. La membrane est à peu près aussi solide que les composites de caoutchouc industriels, tels que ceux utilisés pour fabriquer des pneus de voiture, tuyaux d'arrosage, et les bandes transporteuses.

La membrane résistante mais extensible du homard pourrait servir de guide de conception pour un gilet pare-balles plus flexible, en particulier pour les régions très mobiles du corps, comme les coudes et les genoux.

"Nous pensons que ce travail pourrait motiver la conception d'armures flexibles, " dit Ming Guo, le professeur assistant en développement de carrière d'Arbeloff au département de génie mécanique du MIT. "Si vous pouviez fabriquer des armures avec ces types de matériaux, vous pouvez bouger librement vos articulations, et cela vous mettrait plus à l'aise."

L'article complet détaillant les résultats de l'équipe a été publié en ligne le 14 février dans la revue Acta Materialia. (Le journal a publié une épreuve non corrigée le 31 janvier.) Les co-auteurs de Guo sont Jinrong Wu et Hao Zhang de l'Université du Sichuan, Liangliang Qu et Fei Deng de l'Université Harvard, et Zhao Qin, qui est chercheur au département de génie civil et environnemental du MIT et un autre auteur principal de l'article.

Protection souple

Guo a commencé à étudier les propriétés de la membrane de homard après un dîner avec un visiteur de son laboratoire.

"Il n'avait jamais mangé de homard auparavant, et je voulais l'essayer, " se souvient Guo. " Alors que la viande était très bonne, il réalisa que la membrane transparente du ventre était vraiment difficile à mâcher. Et nous nous sommes demandé pourquoi c'était le cas."

Bien que de nombreuses recherches aient été consacrées au caractère distinctif du homard, coquille semblable à une armure, Guo a découvert qu'on ne savait pas grand-chose sur les tissus plus mous du crustacé.

"Quand les homards nagent, ils s'étirent et bougent leurs articulations et retournent leur queue très rapidement pour échapper aux prédateurs, " dit Guo. "Ils ne peuvent pas être entièrement recouverts d'une coque dure, ils ont besoin de ces connexions plus douces. Mais personne n'a regardé la membrane avant, ce qui nous surprend beaucoup."

Alors lui et ses collègues se sont mis à caractériser les propriétés du matériau inhabituel. Ils coupent chaque membrane en fines tranches, chacun d'entre eux étant soumis à divers tests expérimentaux. Ils ont placé quelques tranches dans un petit four pour sécher, puis ensuite mesuré leur poids. A partir de ces mesures, ils ont estimé que 90 pour cent de la membrane du homard est constitué d'eau, ce qui en fait un matériau hydrogel.

Ils ont conservé d'autres échantillons dans de l'eau salée pour imiter un environnement océanique naturel. Avec certains de ces échantillons, ils ont effectué des tests mécaniques, placer chaque membrane dans une machine qui étire l'échantillon, tout en mesurant précisément la force appliquée. Ils ont observé que la membrane était initialement souple et facilement étirable, jusqu'à ce qu'il atteigne environ le double de sa longueur initiale, à ce moment-là, le matériau a commencé à se raidir et est devenu progressivement plus dur et plus résistant à l'étirement.

"C'est assez unique pour les biomatériaux, " Guo note. " Pour beaucoup d'autres hydrogels durs, plus tu t'étires, plus ils sont doux. Ce comportement de raidissement pourrait permettre aux homards de se déplacer avec souplesse, mais quand quelque chose de mauvais arrive, ils peuvent se raidir et se protéger."

Contreplaqué naturel de homard

Alors qu'un homard se fraie un chemin sur le fond marin, il peut gratter contre les roches abrasives et le sable. Les chercheurs se sont demandé dans quelle mesure la membrane du homard serait résistante à de si petites éraflures et coupures. Ils ont utilisé un petit scalpel pour gratter les échantillons de membrane, puis les étirer de la même manière que les membranes intactes.

"Nous avons fait des rayures pour imiter ce qui pourrait arriver quand ils se déplacent dans le sable, par exemple, " explique Guo. " Nous avons même coupé la moitié de l'épaisseur de la membrane et avons découvert qu'elle pouvait toujours être étirée aussi loin. Si vous l'avez fait avec des composites de caoutchouc, ils se briseraient."

Les chercheurs ont ensuite zoomé sur la microstructure de la membrane en utilisant la microscopie électronique. Ce qu'ils ont observé était une structure très similaire au contreplaqué. Chaque membrane, mesurant environ un quart de millimètre d'épaisseur, est composé de dizaines de milliers de couches. Une seule couche contient un nombre incalculable de fibres de chitine, ressemblant à des filaments de paille, tous orientés sous le même angle, précisément 36 degrés décalés de la couche de fibres ci-dessus. De la même manière, le contreplaqué est généralement composé de trois ou plusieurs couches minces de bois, le grain de chaque couche orienté perpendiculairement aux couches supérieures et inférieures.

"Lorsque vous faites pivoter l'angle des fibres, couche par couche, vous avez une bonne force dans toutes les directions, " dit Guo. " Les gens ont utilisé cette structure dans des matériaux secs pour la tolérance aux défauts. Mais c'est la première fois qu'on le voit dans un hydrogel naturel."

Dirigé par Qin, l'équipe a également effectué des simulations pour voir comment une membrane de homard réagirait à une simple coupure si ses fibres de chitine étaient alignées comme du contreplaqué, versus dans des orientations complètement aléatoires. Pour faire ça, ils ont d'abord simulé une seule fibre de chitine et lui ont attribué certaines propriétés mécaniques, comme la force et la rigidité. Ils ont ensuite reproduit des millions de ces fibres et les ont assemblés en une structure membranaire composée soit de fibres complètement aléatoires, soit de couches de fibres orientées avec précision, semblable à la membrane de homard réelle.

"C'est incroyable de disposer d'une plate-forme qui nous permet de tester et de montrer directement comment des fibres de chitine identiques produisent des propriétés mécaniques très différentes une fois qu'elles sont intégrées dans diverses architectures", a déclaré Qin.

Finalement, les chercheurs ont créé une petite encoche à travers les membranes aléatoires et en couches, et des forces programmées pour étirer chaque membrane. La simulation a visualisé la contrainte à travers chaque membrane.

"Dans la membrane aléatoire, le stress était tout égal, et quand tu l'as étiré, il s'est rapidement fracturé, " dit Guo. " Et nous avons trouvé que la structure en couches s'étirait davantage sans se casser. "

"Un mystère est de savoir comment les fibres de chitine peuvent être guidées pour s'assembler en une architecture en couches aussi unique pour former la membrane du homard, " Qin dit. "Nous travaillons à comprendre ce mécanisme, et je pense que de telles connaissances peuvent être utiles pour développer des moyens innovants de gérer la microstructure pour la synthèse de matériaux."

En plus d'un gilet pare-balles flexible, Guo dit que les matériaux conçus pour imiter les membranes de homard pourraient être utiles en robotique douce, ainsi que l'ingénierie tissulaire. Si quoi que ce soit, les résultats jettent un nouvel éclairage sur la survie de l'une des créatures les plus résistantes de la nature.

"Nous pensons que cette structure membranaire pourrait être une raison très importante pour laquelle les homards vivent depuis plus de 100 millions d'années sur Terre, " Guo says. "Somehow, this fracture tolerance has really helped them in their evolution."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.