Un dispositif électronique augmente leur vitesse, et des versions ultérieures pourraient également contrôler leur direction
Malgré les efforts de la science pour explorer l’océan, la plus grande partie de ses profondeurs reste invisible. Les mers totalisent plus de 1,3 milliard de kilomètres cubes – assez pour remplir une sphère dix fois plus large que la Terre – et des outils coûteux tels que des sous-marins de défense contre les profondeurs et des drones nageurs devraient frapper les vagues en grand nombre pour couvrir ne serait-ce qu’une fraction de cette eau. Mais des créatures vivantes telles que les méduses lunaires envahissent déjà les océans, et maintenant les chercheurs de l’Institut de technologie de Californie et de l’Université de Stanford essaient de transformer ces organismes fragiles en cyborgs contrôlables.
Les scientifiques ont construit une « prothèse » microélectronique ou un « contrôleur de nage » à partir de pièces disponibles sur le marché. Ils l’ont fixé sur la face inférieure d’une méduse lunaire de la taille d’une soucoupe avec une courte épingle en bois, puis ont fait passer deux électrodes de l’appareil sur les côtés de la cloche de la créature. Lorsqu’elle était active, la prothèse stimulait les muscles de la méduse avec une impulsion électronique régulière.
Pour minimiser l’impact sur l’animal, les chercheurs ont placé l’électronique dans un boîtier cylindrique de deux centimètres de large, en ajoutant des flotteurs en liège et des poids en acier inoxydable pour maintenir le système en flottabilité neutre. Les scientifiques ont testé l’appareil sur six méduses lunaires dans un bassin et ont découvert qu’il pouvait faire nager les animaux à près de trois fois leur rythme naturel. Ils ont maintenu leur vitesse habituelle en portant un contrôleur de nage inactif. Les résultats ont été publiés dans Science Advances mercredi.
Bien que le dispositif n’ait affecté que la vitesse de la méduse, les chercheurs prévoient d’ajouter des capacités de pilotage et de détection aux versions ultérieures. « Avec quelques modifications relativement simples, nous pensons qu’il est possible d’obtenir ce dispositif pour qu’il puisse être piloté, afin de dire à votre animal : « Tournez à gauche ici, tournez à 30 degrés là, faites demi-tour à cet autre endroit », explique le co-auteur de l’étude, John Dabiri, ingénieur en mécanique à Caltech. Une fois cette modification effectuée, John Dabiri et son co-auteur Nicole W. Xu, doctorante en bio-ingénierie à l’université de Stanford, pourraient ajouter des capteurs à l’appareil.
« En fin de compte », assure John Dabiri, « l’idée est que, lorsque les méduses seront sur cette voie, elles enregistreront la température, la salinité et le pH de l’océan – toutes les variables qui nous préoccupent lorsque nous essayons de quantifier la santé actuelle et future des océans et le changement climatique ».
Il ajoute que les chercheurs pourraient un jour utiliser ces cyborgs pour cartographier une zone, par exemple, en recueillant des données jusqu’à ce que leurs contrôleurs de nage les fassent remonter à la surface.
« Les données sur l’océan sont incroyablement utiles pour de nombreuses applications », déclare Elliott Hazen, un écologiste du service des pêches marines de l’Administration nationale des océans et de l’atmosphère, qui n’a pas participé à la nouvelle étude. « Comprendre les caractéristiques de l’océan peut nous aider à améliorer notre capacité à prévoir le temps. En même temps, nous utilisons en permanence les mesures océaniques pour aider à orienter les activités maritimes, par exemple pour indiquer aux pêcheurs les endroits où ils risquent le plus de rencontrer des espèces préoccupantes afin de réduire les prises accessoires ».
Les chercheurs ont équipé certaines méduses lunaires d’une prothèse « contrôleur de nage ». Crédit : Nicole Xu et John Dabiri Caltech
La transformation d’animaux en capteurs vivants soulève évidemment des questions éthiques. John Dabiri note cependant que les méduses lunaires sont dépourvues de cerveau, de système nerveux central et du type de récepteurs de la douleur qui ferait réagir un mammifère, par exemple, à la poussée d’une épingle en bois dans ses tissus corporels. On sait que cette espèce produit du mucus lorsqu’elle est stressée, mais les chercheurs disent avoir suivi leurs sujets et n’avoir trouvé aucun signe de cette réaction. Ils affirment également que les méduses ont guéri en quelques jours et ont recommencé à fonctionner comme d’habitude après la fin de l’expérience et le retrait de la prothèse. Si les méduses cyborgs étaient déployées en tant que moniteurs océaniques, John Dabiri pense qu’elles pourraient vivre une vie relativement normale.
« Nous pourrions être intéressés par un scénario dans lequel l’appareil est intégré pendant des années, recueillant des données », dit-il. Après cela, « il pourrait être libéré de l’animal et retourné à la surface, où les données peuvent alors être lues ».
En tant que capteurs vivants, les méduses bioniques auraient plusieurs avantages sur les robots marins. Tout d’abord, elles peuvent survivre pendant des années, en se nourrissant. La prothèse elle-même nécessite une batterie, mais comme sa tâche consiste simplement à stimuler des électrodes et non à alimenter un moteur, les futures versions pourraient être minuscules. Les chercheurs affirment qu’une méduse « améliorée » dans l’expérience s’est avérée 10 à 1 000 fois plus efficace sur le plan énergétique que les robots nageurs existants.
Le fait de se déplacer à une vitesse plus élevée a effectivement obligé la méduse à dépenser deux fois plus d’énergie que d’habitude, mais ce chiffre était en fait inférieur à ce que les chercheurs avaient prévu : ils ont d’abord pensé qu’augmenter la vitesse de trois fois pourrait nécessiter neuf fois plus d’énergie. « Elles sont plus efficaces à ces vitesses plus élevées.
Ils consomment plus d’énergie, mais pas autant que ce à quoi on pourrait s’attendre compte tenu des performances supplémentaires », explique John Dabiri. « D’après ce que nous comprenons, ce sont les animaux nageurs les plus économes en énergie au monde ». Lorsque les méduses fléchissent leur corps globuleux, explique-t-il, elles modifient la pression de l’eau autour d’elles de manière à stimuler leur mouvement vers l’avant sans nécessiter beaucoup de dépenses énergétiques supplémentaires.
Le contrôleur électronique de nage a fait que les méduses modifiées nagent presque trois fois plus vite que leur vitesse normale. Crédit : Nicole Xu et John Dabiri Caltech
Un autre avantage est que les méduses lunaires vivent déjà dans tous les océans de la terre, à des températures et des profondeurs variées. La prothèse électronique serait vulnérable dans les zones profondes, mais John Dabiri affirme qu’il est plus facile de renforcer ce petit composant que de construire une machine résistante à la profondeur avec des pièces mobiles.
« Avec des facteurs comme le changement climatique, nous voyons de nouveaux états des océans et de nouvelles réponses des écosystèmes aux changements de notre environnement », explique Elliott Hazen. « Nous entrons dans un domaine où nous devons de plus en plus compter sur les animaux pour nous dire où se trouvent les endroits importants dans l’océan. Ainsi, plus nous pourrons équiper les espèces – en particulier les espèces qui ne sont pas menacées, comme les méduses – pour comprendre notre environnement océanique, mieux nous serons préparés aux changements futurs et aux menaces correspondantes ».
« L’idée est de remplacer le petit nombre de plates-formes très coûteuses qui ont vraiment dominé l’océanographie ces dernières décennies par l’idée de déploiements très peu coûteux, mais en très grand nombre, de ces types de méduses bioniques – si vous voulez -« , conclut John Dabiri.
https://www.scientificamerican.com/article/cyborg-jellyfish-could-one-day-explore-the-ocean/
