Complexe basal : un composant d'aile intelligent pour le morphing automatique de la forme

May 31, 2023

Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 853 (2023) Citer cet article

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Les ailes des insectes sont des structures adaptatives qui répondent automatiquement aux forces de vol, surpassant même les systèmes de transformation de forme d'ingénierie de pointe. Une hypothèse largement acceptée, mais pas encore explicitement testée, est qu'une composante 3D dans la région proximale de l'aile, connue sous le nom de complexe basal, détermine la qualité des changements de forme de l'aile en vol. A travers notre étude, nous validons cette hypothèse, démontrant que le complexe basal joue un rôle crucial tant dans la qualité que dans la quantité des déformations des ailes. Des variations systématiques des paramètres géométriques du complexe basal dans un ensemble de modèles numériques suggèrent que les ailes ont subi des adaptations pour atteindre une cambrure maximale sous charge. Inspirés par la conception du complexe basal, nous développons un mécanisme de morphing qui peut faciliter le changement de forme des pales de morphing des éoliennes. Cette recherche améliore notre compréhension de la biomécanique des ailes des insectes et fournit des informations pour le développement de systèmes de morphing de forme d'ingénierie simplifiés.

Les oiseaux et les chauves-souris possèdent des muscles de vol qui contrôlent activement les mouvements et les déformations de leurs ailes, améliorant ainsi leurs performances de vol. Au contraire, les ailes des insectes manquent de muscles, à l'exception de ceux qui sont situés dans le thorax et contrôlent les mouvements des ailes dans la région basale des ailes. Au lieu de cela, les ailes des insectes sont constituées de composants structurels qui leur permettent de répondre automatiquement aux forces de vol1,2,3,4,5,6. Les réponses contrôlées incluent la formation de flexion, de torsion et de cambrage pour une génération efficace de portance et de poussée2,7,8. Bien que les muscles de vol direct dans le thorax puissent modifier et contrôler le profil de la base de l'aile dans une mesure limitée, le manque de muscles dans les ailes des insectes nécessite un contrôle automatique de la forme des ailes au-delà de la base de l'aile, codé dans la conception structurelle de l'aile et la composition des matériaux9. Cette caractéristique distinctive des ailes d'insectes, à savoir le contrôle automatique de leur forme, les rend uniques parmi tous les systèmes naturels et techniques et, plus important encore, un candidat potentiel pour les applications d'ingénierie cherchant à obtenir un contrôle automatique de leur forme10,11.

Les libellules et les demoiselles de l’ordre des insectes Odonata surpassent presque tous les autres insectes en termes de performances de vol. Ils présentent un vol étonnamment sophistiqué grâce à leurs ailes hautement spécialisées1,2,3,4,5,6,7,8,9. De nombreuses caractéristiques de l'aile, y compris les gradients de propriétés des matériaux12,13 et d'épaisseur14,15, le motif de nervure2,16,17, l'ondulation18,19, le nodus16,20, le ptérostigma21, les articulations veineuses et les pointes associées aux articulations22,23, les taches de résiline24,25, 26, l'ultrastructure veineuse 23,27, les lignes de flexion28 et le complexe basal4,29,30 contribuent à la déformabilité automatique des ailes d'odonatan, et en particulier à la formation de cambrure des ailes. Une hypothèse largement acceptée, mais pas encore explicitement testée, est que le complexe basal - une structure 3D à la base de l'aile avec un agencement spécial de veines - est essentiel pour déterminer la qualité des déformations des ailes chez les espèces d'odonatans2,16,29. Bien que la forme, la dimension et la position du complexe basal à l'intérieur de l'aile, qui comprend une grande partie de la région proximale de l'aile, suggèrent qu'il s'agit peut-être d'une hypothèse raisonnable, les données de la littérature sont pour la plupart descriptives et les études quantitatives et/ou systématiques sur le rôle du complexe basal dans les déformations des ailes est encore rare4,31,32. Une étude approfondie établissant un lien entre la structure, le matériau et les performances mécaniques du complexe basal peut nous aider à combler cette lacune dans la littérature. C’est l’objectif primordial de cette étude.

Ici, nous avons collecté sélectivement trois espèces d'Odonata, dont Ischnura elegans (Coenagrionidae), Calopteryx splendens (Calopterygidae) et Sympetrum vulgatum (Libellulidae) avec des complexes basaux et des styles de vol morphologiquement différents. Nous avons utilisé une combinaison de méthodes expérimentales et de techniques d'imagerie, notamment la microscopie électronique à balayage (MEB), la tomodensitométrie (micro-CT), la microscopie confocale à balayage laser (CLSM), la microscopie à fluorescence à grand champ (WFM), les tests mécaniques, fini analyse des éléments (FEA), modélisation paramétrique, conception conceptuelle et impression 3D pour (1) examiner à la fois la structure et le matériau du complexe basal, (2) caractériser comment ils influencent le comportement mécanique du complexe basal, (3) déterminer le rôle du complexe basal dans les déformations des ailes, et (4) utiliser des concepts de conception inspirés des ailes dans une application réelle. Nos résultats sont importants car ils améliorent non seulement notre compréhension de la biomécanique des ailes des insectes, mais éclairent également la conception de structures de transformation de forme qui ne nécessitent pas de contrôles actifs compliqués.