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8 février 2007

Y-a-t-il un pilote dans l'insecte ?

Tout comme le pilote humain, l'insecte utilise sa vision pour se piloter dans les airs. Les signaux électriques issus de son œil à facettes excitent, par l'intermédiaire de neurones spécialisés, les muscles des ailes permettant à l'animal de redresser son vol et d'éviter les crashs. Ces mêmes neurones seraient-ils impliqués dans une sorte de « pilote automatique » ? C'est ce que viennent de démontrer Nicolas Franceschini, Franck Ruffier et Julien Serres, spécialistes de biorobotique au laboratoire Mouvement et perception (CNRS/Université de la Méditerranée) à Marseille, en mettant en évidence un automatisme appelé « régulateur de flux optique » commandant la force de sustentation. Pour arriver à ces résultats, les chercheurs ont modélisé la navigation d'un insecte au dessus du sol à partir d'expériences réalisées sur le robot volant OCTAVE, un micro-hélicoptère captif qui parvient à reproduire nombre de comportements naturels énigmatiques. Leurs travaux sont publiés en ligne le 8 février 2007 dans la revue Current biology.

Comment une créature lilliputienne comme une mouche ou une abeille, dont la cervelle n'est pas plus grosse qu'une tête d'épingle, réussit-elle à contrôler si magnifiquement son vol pour ne pas se crasher au sol à chaque instant ? On sait aujourd'hui que les prouesses sensori-motrices de ces miniatures volantes reposent sur un système nerveux composé de cent mille à un million de neurones. Lorsqu'un insecte, un oiseau ou un pilote vole au dessus du sol, l'image de celui-ci défile d'avant en arrière dans la partie ventrale de son champ visuel, créant ainsi un « flux optique », défini comme la vitesse angulaire à laquelle défilent les contrastes du sol. Cette vitesse angulaire est, par définition, égale au quotient de la vitesse horizontale et de l'altitude. Ce que les auteurs appellent un « régulateur de flux optique » est      un automatisme qui va maintenir à une valeur constante le flux optique, donc le quotient vitesse/altitude. Si l'insecte vient à changer de vitesse, l'automatisme en question le contraindra à changer d'altitude de manière à maintenir constant le quotient entre ces deux grandeurs. Réguler le quotient vitesse/altitude fait que l'animal n'a besoin de mesurer ni sa vitesse ni son altitude.

 

Si l'insecte subit un fort vent de face, sa vitesse d'avance s'en trouvera réduite. Alors, contraint par son régulateur de flux optique, il n'aura de cesse de réduire son altitude, pour encore et toujours maintenir son flux optique à la valeur de référence. Cela devrait conduire l'insecte à un atterrissage forcé contre le vent, mais à un atterrissage sûr car il se fera à vitesse verticale nulle. De telles réactions au vent ont été maintes fois décrites chez les insectes et même chez les oiseaux. Elles sont pareillement observées sur le micro-hélicoptère, chaque fois qu'il se retrouve face à un vent produit artificiellement en laboratoire, confortant l'idée que les êtres ailés sont équipés d'un régulateur de flux optique.

 

Le schéma de contrôle proposé, très simple, rend compte de 70 ans d'observations, souvent surprenantes, sur le comportement des insectes ailés. Il permet d'expliquer non seulement le fait que les insectes descendent par vent de face et s'élèvent par vent arrière, mais aussi que les abeilles atterrissent à pente constante et se noient en traversant une eau dormante(1).

 

A la base de ces comportements étonnants se trouvent, cachés dans le cockpit de l'insecte, des neurones détecteurs de mouvement qui sont de véritables capteurs de flux optique. L'équipe en a patiemment déchiffré le fonctionnement au moyen de microélectrodes ultrafines (un millième de millimètre de diamètre) et d'un microscope spécial construit à cet effet. Ils en ont ensuite transcrit le principe en un microcircuit électronique, dont la version la plus récente ne pèse que 0,2 gramme. C'est ce neurone qui fait l'essentiel du travail à bord de leur micro-hélicoptère.

 

Le régulateur de flux optique permet de comprendre comment un insecte parvient à voler, même en condition de vent défavorable, sans jamais mesurer ni son altitude, ni sa vitesse sol, ni sa vitesse de descente, c'est-à-dire en n'utilisant aucun des capteurs de l'aéronautique traditionnelle, tels que radar, GPS, radio-altimètre et variomètre. La cervelle d'insecte ne saurait que faire de ces capteurs encombrants, lourds et gourmands en énergie.

 

Ces travaux illustrent le double enjeu, fondamental et appliqué, de cette science innovante, qu'on appelle la biorobotique et que l'équipe marseillaise a initiée dès 1985. La méthode consiste à s'aider de reconstructions robotiques pour tester des principes biologiques, perçus d'abord de manière confuse. Un va-et-vient permanent entre biologie et robotique permet ensuite d'affiner la compréhension de ces principes cachés, sous-jacents au comportement animal. Des principes qui ont fait leurs preuves depuis des millions d'années et qui sont susceptibles d'être appliqués aujourd'hui à l'aérospatial, tant sont cruciales les phases où un aéronef ou un module spatial navigue à proximité du sol.

 

Les chercheurs ont déposé avec le CNRS un brevet international sur « le pilote automatique de la mouche ».

 

Mouche de face

© N. Franceschini, CNRS (cette image est disponible auprès de la photothèque du CNRS, 01 45 07 57 90, phototheque@cnrs-bellevue.fr).

Photo 1 - Mouche bleue (Calliphora) photographiée de face à travers un microscope spécial (microscope de Lieberkühn), construit au laboratoire à partir de deux phares de bicyclette. D'après Franceschini, N. « From insect vison to robot vision : Re-construction as a mode of discovery » In: « Sensors and Sensing in Biology and Engineering », Barth, F.G., Humphrey, J. A., Secomb T.W. (Eds.), Springer, Berlin, 2003, pp. 223-235)


 

Mouche en laisse

© CNRS Photothèque / Hubert RAGUET (cette image est disponible auprès de la photothèque du CNRS, 01 45 07 57 90, phototheque@cnrs-bellevue.fr).

Photo 2 - Mouche équipée d'une «laisse» de microélectrodes permettant d'enregistrer l'activité de certains neurones visuels durant la locomotion.



Notes :

1) L'absence totale de ride sur l'eau d'un étang par exemple, met hors service les capteurs de flux optique (qu'ils soient naturels ou artificiels) à cause d'une absence de contrastes. Ceci a pour conséquence d'entraîner irrésistiblement l'insecte vers le bas.

Références :

A bio-inspired flying robot sheds light on insect piloting abilities, Current biology 17, 4 (february 20). Franceschini, N., Ruffier, F., Serres, J. (2007).

Contacts :

Chercheurs
Nicolas Franceschini
T 04 91 82 83 65
nicolas.franceschini@univmed.fr

Franck Ruffier
T 04 91 82 83 66
franck.ruffier@univmed.fr

Presse
Laetitia Louis
T 01 44 96 51 37
laetitia.louis@cnrs-dir.fr


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