Réunis à l'intérieur d'un petit hangar au milieu d'une paisible prairie, mes collègues et moi sommes sur le point d'actionner l'interrupteur pour lancer une procédure apparemment banale :utiliser un moteur pour secouer une planche de bois. Mais sous cette planche, nous avons un essaim d'environ 10, 000 abeilles, s'accrochant les uns aux autres dans un seul magnifique cône de pulsation.

Alors que nous partageons un dernier regard d'inquiétude excitée, l'essaim, littéralement un morceau de matière vivante, commence à se déplacer à droite et à gauche, secouant comme de la gelée.

Qui, sensé, secouerait un essaim d'abeilles ? Mes collègues et moi étudions les essaims pour approfondir notre compréhension de ces pollinisateurs essentiels, et aussi de voir comment nous pouvons tirer parti de cette compréhension dans le monde des matériaux robotiques.

De nombreuses abeilles créent un essaim

Les essaims de notre étude se produisent dans le cadre du cycle de reproduction des colonies d'abeilles européennes. Lorsque le nombre d'abeilles dépasse les ressources disponibles, généralement au printemps ou en été, une colonie se divise en deux groupes. Un groupe, et une reine, s'envoler à la recherche d'un nouvel emplacement permanent tandis que le reste des abeilles reste derrière.

Au cours de cet effort, les abeilles qui se déplacent forment temporairement un essaim très adaptable qui peut pendre aux branches des arbres, toits, clôtures ou voitures. Pendant la suspension, ils n'ont pas de nid pour les protéger des éléments. Se blottir les uns contre les autres leur permet de minimiser les pertes de chaleur vers l'environnement extérieur plus froid. Ils doivent également s'adapter en temps réel aux variations de température, la pluie et le vent, qui pourraient tous briser la protection fragile qu'ils partagent en une seule unité.

L'essaim est de plusieurs ordres de grandeur plus grand que la taille d'une abeille individuelle. Une abeille pourrait potentiellement coordonner son activité avec les abeilles voisines juste à côté d'elle, mais il ne pouvait certainement pas se coordonner directement avec les abeilles à l'extrémité de l'essaim.

Alors, comment parviennent-ils à maintenir la stabilité mécanique face à quelque chose comme un vent fort, un test qui nécessite une coordination quasi simultanée dans tout l'essaim ?

Mes collègues Jacob Peters, Marie Salcedo, L. Mahadevan et moi avons conçu une série d'expériences pour répondre à cette question, ce qui nous ramène à secouer intentionnellement l'essaim.

Actions individuelles, réponse de l'essaim entier

Lorsque nous avons secoué l'essaim le long de son axe horizontal, les abeilles ont ajusté la forme de leur essaim et en quelques minutes sont devenues plus larges, cône plus stable. Cependant, quand le mouvement était vertical, la forme est restée constante jusqu'à ce qu'une force critique soit atteinte qui a provoqué la rupture de l'essaim.

Pourquoi les abeilles ont-elles réagi aux secousses horizontales, mais pas aux secousses verticales ? Tout dépend de la façon dont les liens que les abeilles créent en « se tenant la main » sont étirés.

Il s'avère que les secousses verticales ne perturbent pas autant ces liens de paire que les secousses horizontales. A l'aide d'un modèle de calcul, nous avons montré que les liens entre les abeilles situées plus près de l'endroit où l'essaim s'attache à la planche s'étendent plus que les liens entre les abeilles à l'extrémité de l'essaim. Les abeilles pouvaient sentir ces différentes quantités d'étirement, et les utiliser comme un signal directionnel pour se déplacer vers le haut et faire se propager l'essaim.

En d'autres termes, les abeilles se déplacent d'endroits où les liens s'étirent moins, vers des endroits où ils s'étendent davantage. Cette réponse comportementale améliore la stabilité collective de l'essaim dans son ensemble au détriment de l'augmentation de la charge moyenne subie par l'abeille individuelle. Le résultat est une sorte d'"altruisme mécanique", comme l'unique abeille subit la contrainte au profit du plus grand bien de l'essaim.

Cours d'ingénieur, enseigné par les abeilles

En tant que physicien de formation générale étudiant le comportement animal, Je suis fasciné par ce genre de solution évoluée dans la nature. C'est incroyable que les abeilles puissent créer des matériaux multifonctionnels - faits de leurs nombreux corps individuels - qui peuvent changer de forme sans qu'un chef d'orchestre global leur dise à tous quoi faire. Personne n'est en charge, mais ensemble, ils gardent l'essaim intact.

Et si les ingénieurs pouvaient tirer ces solutions et leçons de la nature et les appliquer aux bâtiments ? Au lieu d'un paquet d'abeilles bourdonnantes, Pouvez-vous imaginer un groupe de robots bourdonnants qui s'accrochent les uns aux autres pour créer des structures adaptatives en temps réel ? Je peux imaginer des abris qui se déploient rapidement face aux catastrophes naturelles comme les ouragans, ou des matériaux de construction qui peuvent détecter les vibrations d'un tremblement de terre et réagir de la même manière que ces essaims réagissent à une branche dans le vent.

Essentiellement, ces abeilles créent un matériau autonome qui, intégré en lui-même, possède de multiples capacités. L'essaim peut détecter les informations de l'environnement proche, en fonction de l'étirement des liaisons de la paire. Il peut calculer, dans le sens où il détermine quelles régions ont le plus d'étirement de liaison. Et il peut actionner, sens aller dans la direction vers plus d'étirement.

Ces propriétés font partie des aspirations de longue date dans les domaines des matériaux multifonctionnels et des matériaux robotiques. L'idée est de combiner des robots abordables qui ont chacun une quantité minimale de composants mécaniques et de capteurs, comme les blocs M. Ensemble, ils peuvent ressentir leur environnement local, interagir avec les robots voisins et prendre leurs propres décisions sur la prochaine étape. En tant que Hiro, le jeune roboticien du film Disney "Big Hero 6" dit, "Les applications de cette technologie sont illimitées."

Pour le moment, cela reste de la science-fiction. Mais plus les chercheurs connaissent les solutions naturelles des abeilles, plus nous nous rapprochons de la réalisation de ce rêve.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.