Quand le serpent arbre paradisiaque vole d'une haute branche à une autre, son corps ondule avec des vagues comme une cursive verte sur un bloc de ciel bleu vierge. Ce mouvement, ondulation aérienne, se passe dans chaque glisse faite par les membres de la famille Chrysopelea, les seuls vertébrés sans membres connus capables de voler. Les scientifiques le savent, mais ne l'ont pas encore complètement expliqué.

Depuis plus de 20 ans, Jake Socha, professeur au Département de génie biomédical et de mécanique de Virginia Tech, a cherché à mesurer et modéliser la biomécanique du vol des serpents et à répondre aux questions les concernant, comme celui du rôle fonctionnel de l'ondulation aérienne. Pour une étude publiée par Physique de la nature , Socha a réuni une équipe interdisciplinaire pour développer le premier modèle mathématique 3D anatomiquement précis de Chrysopelea paradisi en vol.

L'équipe, qui comprenait Shane Ross, professeur au département de génie aérospatial et océanique Kevin T. Crofton, et Isaac Yeaton, un récent diplômé d'un doctorat en génie mécanique et auteur principal de l'article, a développé le modèle 3-D après avoir mesuré plus de 100 glissades de serpents vivants. Le modèle prend en compte les fréquences des vagues ondulantes, leur orientation, forces agissant sur le corps, et la distribution de masse. Avec ça, les chercheurs ont mené des expériences virtuelles pour étudier l'ondulation aérienne.

Dans une série de ces expériences, pour apprendre pourquoi l'ondulation fait partie de chaque glisse, ils ont simulé ce qui se passerait si ce n'était pas le cas, en le désactivant. Lorsque leur serpent volant virtuel ne pouvait plus onduler dans les airs, son corps a commencé à dégringoler. Le test, jumelé à des glissades simulées qui maintiennent les vagues d'ondulation, a confirmé l'hypothèse de l'équipe :l'ondulation aérienne améliore la stabilité de rotation chez les serpents volants.

Les questions de vol et de mouvement remplissent le laboratoire de Socha. Le groupe a réparti son travail sur les serpents volants entre des études sur la façon dont les grenouilles sautent de l'eau et glissent dessus, comment le sang circule à travers les insectes, et comment les canards se posent sur les étangs. En partie, il était important pour Socha de sonder le rôle fonctionnel de l'ondulation dans les glissements de serpents, car il serait facile de supposer qu'il n'en avait pas vraiment.

"Nous savons que les serpents ondulent pour toutes sortes de raisons et dans toutes sortes de contextes locomoteurs, " a déclaré Socha. "C'est leur programme de base. Par programme, Je veux dire leur neural, programme musculaire ? — ils reçoivent des instructions spécifiques :tirez sur ce muscle maintenant, tire ce muscle, tirer ce muscle. C'est ancien. Cela va au-delà des serpents. Ce modèle de création d'ondulations est ancien. Il est fort possible qu'un serpent s'envole, puis ça va, 'Que fais-je? Je suis un serpent. J'ondule.'"

Mais Socha croyait qu'il y avait bien plus que cela. Tout au long du vol du serpent arbre paradisiaque, tant de choses arrivent à la fois, il est difficile de les démêler à l'œil nu. Socha a décrit quelques étapes qui ont lieu à chaque glissement, des étapes qui se lisent comme intentionnelles.

D'abord, le serpent saute, généralement en courbant son corps dans une "boucle en J" et en jaillissant et en sortant. Au moment de son lancement, le serpent reconfigure sa forme, ses muscles se déplacent pour aplatir son corps partout sauf la queue. Le corps devient une « aile morphing » qui produit des forces de portance et de traînée lorsque l'air circule dessus, car il accélère vers le bas sous l'effet de la gravité. Socha a examiné ces propriétés aérodynamiques dans plusieurs études. Avec l'aplatissement vient l'ondulation, comme le serpent envoie des vagues le long de son corps.

Au début de l'étude, Socha avait une théorie de l'ondulation aérienne qu'il a expliquée en comparant deux types d'avions :les gros porteurs et les avions de chasse. Les gros porteurs sont conçus pour la stabilité et commencent à se stabiliser d'eux-mêmes lorsqu'ils sont perturbés, il a dit, alors que les combattants roulent hors de contrôle.

Alors quel serait le serpent ?

"Est-ce comme un gros jumbo jet, ou est-ce naturellement instable?", A déclaré Socha. "Cette ondulation est-elle potentiellement un moyen de gérer la stabilité?"

Il pensait que le serpent ressemblerait plus à un avion de chasse.

Pour effectuer des tests sur l'importance de l'ondulation pour la stabilité, l'équipe a entrepris de développer un modèle mathématique 3D qui pourrait produire des glissements simulés. Mais d'abord, ils avaient besoin de mesurer et d'analyser ce que font les vrais serpents lorsqu'ils planent.

En 2015, les chercheurs ont collecté des données de capture de mouvement à partir de 131 glissements en direct effectués par des serpents paradisiaques. Ils ont tourné le Cube, un théâtre boîte noire de quatre étages au Moss Arts Center, dans une arène de glisse intérieure et a utilisé ses 23 caméras à grande vitesse pour capturer le mouvement des serpents alors qu'ils sautaient de 27 pieds de haut - d'une branche de chêne au sommet d'un élévateur à ciseaux - et glissaient jusqu'à un arbre artificiel en dessous, ou sur le rembourrage en mousse souple environnant, l'équipe s'est installée dans des draps pour amortir leurs atterrissages.

Les caméras émettent de la lumière infrarouge, les serpents ont donc été marqués avec du ruban réfléchissant les infrarouges sur 11 à 17 points le long de leur corps, permettant au système de capture de mouvement de détecter leur changement de position au fil du temps. Trouver le nombre de points de mesure a été la clé de l'étude; dans les expériences passées, Socha a marqué le serpent en trois points, puis cinq, mais ces chiffres n'ont pas fourni suffisamment d'informations. Les données de moins de points vidéo n'ont fourni qu'une compréhension grossière, créant une ondulation saccadée et basse fidélité dans les modèles résultants.

L'équipe a trouvé un sweet spot en 11 à 17 points, qui a donné des données à haute résolution. "Avec ce numéro, nous pourrions obtenir une représentation fluide du serpent, et précis, " a déclaré Socha.

Les chercheurs ont ensuite construit le modèle 3D en numérisant et en reproduisant le mouvement du serpent tout en intégrant les mesures qu'ils avaient précédemment collectées sur la distribution de masse et l'aérodynamique. Expert en modélisation dynamique, Ross a guidé le travail de Yeaton sur un modèle continu en s'inspirant du travail sur le mouvement des engins spatiaux.

Il travaillait avec Socha pour modéliser des serpents volants depuis 2013, et leurs modèles précédents traitaient le corps du serpent en plusieurs parties, d'abord en trois parties, comme tronc, un milieu, et une fin, et puis comme un tas de liens. "C'est le premier qui est continu, " dit Ross. " C'est comme un ruban. C'est le plus réaliste à ce stade."

Dans les expériences virtuelles, le modèle a montré que l'ondulation aérienne non seulement empêchait le serpent de basculer pendant les glissades, mais il augmentait les distances horizontales et verticales parcourues.

Ross voit une analogie avec l'ondulation du serpent dans la rotation d'un frisbee :le mouvement alternatif augmente la stabilité de rotation et se traduit par une meilleure glisse. En ondulant, il a dit, le serpent est capable d'équilibrer les forces de portance et de traînée produites par son corps aplati, plutôt que d'être submergé par eux et de basculer, et il est capable d'aller plus loin.

Les expériences ont également révélé à l'équipe des détails qu'ils n'avaient pas pu visualiser auparavant. Ils ont vu que le serpent utilisait deux ondes lorsqu'il ondulait :une onde horizontale de grande amplitude et une nouvellement découverte, onde verticale de plus faible amplitude. Les vagues allaient côte à côte et montaient et descendaient en même temps, et les données ont montré que l'onde verticale allait deux fois plus vite que l'onde horizontale. "C'est vraiment, vraiment flippant, " dit Socha. Ces doubles vagues n'ont été découvertes que chez un autre serpent, un sidewinder, mais ses ondes vont à la même fréquence.

"Ce qui rend vraiment cette étude puissante, c'est que nous avons pu faire progresser considérablement à la fois notre compréhension de la cinématique de glissement et notre capacité à modéliser le système, " dit Yeaton. " Le vol de serpent est compliqué, et il est souvent difficile de faire coopérer les serpents. Et il existe de nombreuses subtilités pour rendre le modèle de calcul précis. Mais c'est satisfaisant de rassembler toutes les pièces."

« Pendant toutes ces années, Je pense avoir vu près d'un millier de glissades, " a déclaré Socha. "C'est toujours incroyable à voir à chaque fois. Le voir en personne, il y a quelque chose d'un peu différent à ce sujet. C'est encore choquant. Que fait exactement cet animal ? Pouvoir répondre aux questions que je me pose depuis que je suis étudiant diplômé, de nombreux, plusieurs années plus tard, est incroyablement satisfaisant."

Socha attribue certains des éléments qui ont façonné les expériences de glisse réelles et simulées à des forces hors de son contrôle. Le hasard l'a conduit à l'arène de glisse intérieure :quelques années après l'ouverture du Moss Arts Center, Tanner Upthegrove, un ingénieur des médias pour l'Institut pour la créativité, Arts, et la technologie, ou ICAT, lui a demandé s'il avait déjà pensé à travailler dans le Cube.

« Qu'est-ce que le Cube ? » Il a demandé. Quand Upthegrove lui a montré l'espace, il était terrassé. Il semblait conçu pour les expériences de Socha.

À certains égards, c'était. « De nombreux projets à l'ICAT ont utilisé la technologie de pointe du Cube, un studio pas comme les autres au monde, pour révéler ce qui ne pouvait normalement pas être vu, " a déclaré Ben Knapp, le directeur fondateur de l'ICAT. "Scientifiques, ingénieurs, artistes, et designers s'associent ici pour construire, créer, et innover de nouvelles façons d'aborder les plus grands défis du monde."

Dans l'un des projets phares du centre, "Corps, Plein de temps, " Les artistes médiatiques et visuels ont utilisé l'espace pour capturer les mouvements du corps des danseurs pour une performance immersive. Échanger des danseurs contre des serpents, Socha a pu tirer le meilleur parti du système de capture de mouvement du Cube. L'équipe pouvait déplacer les caméras, optimiser leur position pour le chemin du serpent. Ils ont profité d'un treillis en haut de l'espace pour positionner deux caméras pointant vers le bas, offrant une vue aérienne du serpent, ce qu'ils n'avaient jamais pu faire auparavant.

Socha et Ross voient le potentiel de leur modèle 3D de continuer à explorer le vol des serpents. L'équipe prévoit des expériences en plein air pour recueillir des données de mouvement à partir de glissements plus longs. Et un jour, ils espèrent franchir les frontières de la réalité biologique.

À l'heure actuelle, leur serpent volant virtuel glisse toujours vers le bas, comme le vrai animal. Mais et s'ils pouvaient le faire bouger pour qu'il commence réellement à monter ? Voler vraiment ? Cette capacité pourrait potentiellement être intégrée aux algorithmes des serpents robotiques, qui ont des applications passionnantes dans la recherche et le sauvetage et la surveillance des catastrophes, dit Ross.

"Les serpents sont tellement doués pour se déplacer dans des environnements complexes, " dit Ross. " Si vous pouviez ajouter cette nouvelle modalité, cela fonctionnerait non seulement dans un cadre naturel, mais en milieu urbain."

"À certains égards, Virginia Tech est une plaque tournante de l'ingénierie bio-inspirée, " a déclaré Socha. " Des études comme celle-ci donnent non seulement un aperçu du fonctionnement de la nature, mais jetez les bases d'un design inspiré par la nature. Evolution est le bricoleur créatif ultime, et nous sommes ravis de continuer à découvrir les solutions de la nature à des problèmes comme celui-ci, extraire le vol d'un cylindre oscillant."