Les amateurs de pizza savent bien qu'une simple courbure en forme de U au niveau de la croûte peut empêcher une fine tranche de tomber lorsqu'elle est soulevée d'une assiette. Une équipe d'ingénieurs de l'Université Brown a montré que les poissons peuvent profiter à peu près de la même dynamique pour raidir leurs nageoires pour nager.

En utilisant un modèle mathématique et la nageoire pectorale du maquereau comme exemple illustratif, les chercheurs montrent comment la rigidité de la nageoire peut être modifiée en appliquant une courbure en forme de U à la base de la nageoire. L'effet, disent les chercheurs, pourrait sous-tendre la capacité des poissons à nager à des vitesses très variables dans toutes sortes de courants avec une grande maniabilité.

"Une façon de devenir plus maniable est d'avoir la capacité de générer des quantités variables de force sur l'eau lors du battement d'une palme, " dit Shreyas Mandre, professeur adjoint à la Brown's School of Engineering et co-auteur de la recherche. "Nous pensons que les poissons modulent la courbure à la base de la nageoire pour la rendre plus rigide ou plus douce, qui modifie la force qu'ils génèrent sur l'eau, ce qui à son tour peut sous-tendre une partie de leur maniabilité. »

La recherche a été menée en collaboration avec Khoi Nguyen et Madhusudhan Venkadesan de l'Université de Yale, Ning Yu de l'UCLA et Mahesh M. Bandi de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa. Il est décrit dans le Journal de la Royal Society Interface .

Le modèle mathématique développé par Mandre et ses collègues s'applique à une grande classe de poissons connus sous le nom d'Actinopterygii. Ce sont des espèces de poissons avec des nageoires en forme d'éventail constituées de longs os pliables maintenus ensemble par un tissu mou élastique.

En général, disent les chercheurs, il a été supposé que la rigidité de ces ailettes est calculée par la rigidité en flexion de chaque os multipliée par le nombre d'os. Mais cette image simple ignore l'interaction mécanique entre les os pliables et la peau élastique, qui pourrait produire beaucoup plus de rigidité que le modèle simple ne le suggère. Cette interaction s'avère également être le mécanisme par lequel les poissons modifient la rigidité d'une nageoire via la courbure à la base.

Les chercheurs ont examiné des micro-scans de matrices osseuses dans des nageoires de maquereau, qui sont largement représentatifs des poissons à nageoires rayonnées. Ils ont montré que la forme des os les fait se plier plus facilement dans des directions particulières, et que la direction de flexion "préférée" de chaque os est légèrement désalignée par rapport aux os adjacents. Selon leur mode mathématique, cette disposition signifie que lorsqu'une force est appliquée sur une ailette, les os se plient collectivement d'une manière qui les fait s'écarter. Cependant, ce mouvement d'évasement est contré par le tissu élastique qui lie les os ensemble, et c'est cette résistance qui rigidifie l'ensemble de l'aileron.

La manière dont cette architecture transmet les forces est globalement similaire à la manière dont les forces sont transmises dans une tranche de pizza qui se courbe au niveau de la croûte et devient plus rigide sur sa longueur. Seulement dans ce cas, l'effet de la courbure est « incrusté » dans l'ailette, ce qui signifie qu'il a les avantages mécaniques d'une courbe même lorsqu'il est plat. L'application d'une courbure réelle à la base de l'aileron amplifierait l'effet rigidifiant.

"Donc en ajustant la courbure, les poissons pourraient rapidement et considérablement modifier la force avec laquelle ils pourraient pousser sur l'eau, ce qui pourrait les rendre plus maniables », a déclaré Mandre.

Les chercheurs disent que leur modèle suggère des possibilités intrigantes pour la conception de nageurs robotiques.

"Ces résultats nous aident à comprendre la signification fonctionnelle de la courbure des nageoires des poissons, " dit Mandre. " De cette façon, cela donne un principe de conception que nous pouvons potentiellement utiliser pour développer des appendices robotiques pour une propulsion aquatique hautement maniable. »