Les mouches des fruits synchronisent les mouvements de leur tête et de leur corps pour stabiliser leur vision et voler efficacement, selon des chercheurs de Penn State qui ont utilisé des simulateurs de vol en réalité virtuelle.
La découverte semble être vraie chez les primates et d’autres animaux, disent les chercheurs, indiquant que les animaux ont évolué pour bouger leurs yeux et leur corps de manière indépendante afin de conserver leur énergie et d’améliorer leurs performances. Cette compréhension pourrait éclairer la conception de robots mobiles avancés, selon le chercheur principal Jean-Michel Mongeau, professeur adjoint de génie mécanique.
Les chercheurs ont publié leurs résultats hier, 3 mai, dans Actes de l’Académie nationale des sciences.
Nous avons découvert que lors du contrôle du regard, les mouches des fruits minimisent la dépense énergétique et augmentent les performances de vol. Et, en utilisant ces informations de coordination, nous avons développé un modèle mathématique qui prédit avec précision une synchronisation similaire dans [other] animaux visuellement actifs. »
Jean-Michel Mongeau, professeur adjoint de génie mécanique, Penn State
Les chercheurs ont utilisé des caméras à grande vitesse pour enregistrer une mouche des fruits entourée d’écrans vidéo LED sur lesquels les chercheurs ont projeté des images de ce qu’une mouche verrait en vol, créant une expérience de réalité virtuelle immersive et faisant bouger la mouche comme si elle volait librement.
« Quand une mouche bouge, elle coordonne sa tête, ses ailes et son corps pour voler dans les airs, échapper aux prédateurs ou chercher de la nourriture », a déclaré Mongeau. « Nous étions intéressés à étudier comment les mouches coordonnent ces mouvements, et nous l’avons fait en simulant le vol en réalité virtuelle. »
Répondant à la fois aux mouvements visuels lents et rapides dans le simulateur de vol en réalité virtuelle, la mouche bougeait la tête et le corps à des rythmes différents. Les chercheurs ont pris des mesures et suivi les mouvements de la tête de la mouche pour déterminer la direction de son regard, car ses yeux sont fixés sur sa tête et ne peuvent pas bouger de manière indépendante.
« Nous avons constaté que les mouvements de la tête et du corps de la mouche étaient complémentaires, en ce sens que le corps bougeait le plus pendant les mouvements visuels plus lents, tandis que la tête bougeait le plus pendant les mouvements plus rapides », a déclaré Mongeau. « Le corps et la tête travaillant ensemble ont aidé à stabiliser le mouvement de vol de très lent à très rapide. »
Testant davantage les concepts, les chercheurs ont immobilisé la tête de la mouche et l’ont soumise aux mêmes stimuli visuels. Ils ont découvert que la mouche ne pouvait pas répondre aux mouvements visuels rapides – ; démontrant l’avantage de la complémentarité des mouvements du corps et de la tête.
« Nous avons constaté que la tête et le corps travaillant ensemble sont avantageux d’un point de vue énergétique », a déclaré Mongeau. « Étant donné que la tête est plus petite, elle a moins de résistance au mouvement, ou d’inertie, ce qui signifie qu’elle peut réagir aux mouvements rapides, tandis que le corps beaucoup plus grand répond mieux aux mouvements plus lents. Le réglage de ces deux composants permet d’économiser de l’énergie et d’augmenter les performances non seulement pour le voler, mais aussi pour d’autres animaux. »
En utilisant la théorie du contrôle, une branche de l’ingénierie qui traite de la conception de systèmes de rétroaction comme les pilotes automatiques, les chercheurs ont comparé les résultats des mouvements de la mouche à d’autres animaux, y compris une étude classique des mouvements des primates.
« En utilisant le même modèle, nous avons examiné les rapports d’inertie des yeux, de la tête et du corps ailleurs dans le règne animal, y compris chez d’autres insectes, rats et oiseaux », a déclaré Mongeau. « La façon dont les mouches bougent leur tête et leur corps est très similaire à la façon dont les primates bougent leur tête et leurs yeux, ce qui est remarquable depuis qu’ils ont divergé il y a des centaines de millions d’années. »
Tout comme une tête est plus légère qu’un corps, les yeux sont plus légers qu’une tête et nécessitent moins d’énergie pour bouger. Selon Mongeau, des yeux et des têtes mobiles indépendamment ont marqué la transition de l’eau à la terre dans les archives fossiles des vertébrés.
« Alors que les animaux vertébrés sont passés de l’eau à la terre il y a plus de 350 millions d’années, le développement de mécanismes pour contrôler les mouvements de la tête et des yeux aurait pu avoir des avantages évolutifs substantiels », a déclaré Mongeau. « Nous avons découvert qu’il existe un point idéal dans les rapports œil-tête-corps, ce qui suggère que l’inertie peut avoir été une contrainte importante dans l’évolution de la vision. »
Les découvertes des chercheurs pourraient être utilisées pour améliorer l’efficacité énergétique et les performances de la robotique, selon Benjamin Cellini, candidat au doctorat en génie mécanique et premier auteur de l’article.
« En robotique, les capteurs sont généralement fixes », a déclaré Cellini. « Mais dans le règne animal, la détection et le mouvement sont couplés, car de nombreux capteurs physiques, comme les yeux, bougent. Inspirés par la biologie, nous pouvons concevoir des robots plus économes en énergie en rendant mobiles les capteurs basés sur la vision. »
