Une anatomie inhabituelle de micro-insectes permet d'optimiser le poids des ailes : ces résultats pourraient bénéficier à la conception de petits drones

Des scientifiques de Skoltech et de l'Université d'État de Moscou ont découvert l'avantage que procurent aux insectes microscopiques leurs ailes semblables à des plumes, contrairement à celles des libellules, des abeilles, des moustiques et autres insectes familiers. Une aile composée en grande partie de soies légèrement espacées est plus légère qu'une aile membraneuse conventionnelle d'un seul tenant.

Cet avantage est crucial pour les microinsectes, fortement sensibles à la résistance de l'air. Ils la surmontent grâce à des mouvements d'ailes rappelant ceux des rames. Ces résultats pourraient s'avérer utiles lorsque la miniaturisation des drones de la taille d'insectes atteindra ces dimensions véritablement minuscules, submillimétriques. Financée par une  subvention de la Fondation russe pour la science , l' étude a été publiée dans la revue PNAS et a fait la  couverture de ce numéro.

Les drones miniatures imitant certaines des caractéristiques observées jusqu'à présent chez les insectes restent une curiosité de laboratoire, mais grâce aux progrès technologiques, ils pourraient s'avérer utiles pour collecter des informations lorsque la compacité, la discrétion ou la furtivité sont essentielles. Un jour, des essaims de drones inspirés des insectes pourraient devenir viables pour les opérations de recherche et sauvetage, la surveillance d'infrastructures dans des espaces restreints, comme les cages d'ascenseur ou de ventilation, l'observation d'animaux sauvages dans la nature ou la collecte de renseignements.

Les plus petits drones contrôlables sont le Piccolissimo (2016) de l'Université de Pennsylvanie, qui mesure 2,5 centimètres et pèse 2,5 grammes, le RoboBee (2012) de Harvard, qui mesure 3 centimètres, et le drone Mosquito (2025) de 1,5 centimètre et 0,3 gramme, récemment dévoilé, créé à l'Université nationale chinoise de technologie de défense. Ces deux derniers utilisent un vol ailé. Les hélices, notamment, ont tendance à générer plus de bruit et à causer plus de dégâts en cas de collision.

Outre les défis évidents liés à la taille des batteries, ce qui freine la miniaturisation, c'est la mécanique du vol elle-même. Prenons l'exemple des micro-insectes : à une échelle aussi réduite, les forces de frottement visqueux de l'air s'avèrent comparables aux forces d'inertie d'un insecte volant. Il devient donc plus difficile pour ces créatures volantes de « patauger » dans l'air que pour les créatures plus grandes. De ce fait, les ailes des plus petits insectes sont disposées de manière inattendue.

« On sait depuis longtemps qu'une taille d'environ un millimètre constitue une sorte de ligne de démarcation : les insectes de plus grande taille possèdent des ailes membraneuses, familières, tandis que de nombreuses espèces de plus petite taille possèdent des ailes constituées de soies séparées par des intervalles. On ignorait pourquoi », a déclaré l'auteur principal de l'étude, le professeur adjoint Dmitry Kolomenskiy de Skoltech Materials.

Image. Photographie couleur d'une punaise Primorskiella et de son aile hérissée. Crédit : Alexey Polilov et Sergey Farisenkov/Université d'État Lomonossov de Moscou

La question de savoir pourquoi les microinsectes utilisent des ailes semblables à des plumes est plus qu'une question théorique. Compte tenu du fonctionnement de la sélection naturelle, aucune solution développée par les êtres volants dans la nature ne mérite d'être reprise pour la conception de drones. Tant que la forme des ailes n'aura pas été liée aux avantages du vol, il restera possible que cette partie particulière de l'anatomie ait évolué pour attirer d'autres insectes, propager des odeurs ou pour toute autre raison inutile à un drone.

Les auteurs de l'étude Skoltech-MSU ont collecté des données sur une douzaine d'espèces apparentées de coléoptères de différentes tailles, analysé la structure de leurs ailes et confirmé que la présence d'ailes en forme de plumes s'explique par des considérations mécaniques. Sans surprise, cette structure minimise la masse de l'aile : si l'on prenait une règle en plastique et que l'on en retirait la majeure partie, en ne laissant intact que le premier millimètre de chaque centimètre, une telle structure en forme de peigne réduirait nettement le poids. Elle serait également inadaptée au vol à grande échelle des oiseaux ou même des moustiques, bien sûr, mais elle est efficace pour les microinsectes.

« Nous pensons que la longueur et le diamètre des poils de l'aile sont conçus pour éviter toute flexion excessive. Les intervalles entre les poils sont maximisés, tout en garantissant qu'ils restent suffisamment rapprochés pour empêcher l'air de traverser l'aile pendant le vol. Plus précisément, les intervalles sont environ dix fois supérieurs au diamètre des poils. Un allongement supplémentaire des intervalles serait impossible en vol, et un rapprochement des poils alourdirait inutilement l'aile », a expliqué Petr Petrov, chercheur principal à l'Université d'État Lomonossov de Moscou, co-auteur de l'étude.

Selon les chercheurs, alors que les ingénieurs s'attaquent à la question de la taille des batteries et à d'autres obstacles techniques empêchant la miniaturisation des drones insectoïdes, des structures imitant des ailes hérissées pourraient trouver des applications pour pomper des fluides à travers des tubes ultrafins et filtrer des particules microscopiques. De plus, certains matériaux avancés pourraient théoriquement rendre l'architecture des ailes hérissées réalisable à une échelle légèrement supérieure à celle de la nature.

https://www.skoltech.ru/en/news/scientists-have-revealed-why-microjugs-need-feathered-wings