Comprendre comment les oiseaux atterrissent de manière stable sur des surfaces complexes


Même des observations occasionnelles d'oiseaux volants, de chauves-souris et d'insectes révèlent la capacité adroite et apparemment sans effort de ces créatures à atterrir et à décoller en toute sécurité d'une grande variété de surfaces, qu'il s'agisse de branches d'arbres, de fils téléphoniques, de fleurs ou de rochers. En revanche, les avions de passagers ont généralement besoin de longues pistes plates pour accomplir les mêmes exploits et, même dans ce cas, des accidents peuvent survenir lors du décollage ou de l'atterrissage. Avec la montée en puissance des drones aériens pour de nombreuses applications, et le défi d'améliorer l'aérodynamisme et l'efficacité énergétique des drones, compte tenu de leur petite taille, il existe un intérêt pour la conception de drones afin d’accroître leurs chances d’atterrir sur une gamme de surfaces complexes. Roderick et al. rapportent leur analyse de la façon dont les perroquets du Pacifique (Forpus coelestis) atterrir sur différents types de perches, fournissant des informations sur l'approche de débarquement adoptée par ces oiseaux.

Précédent travail a examiné comment les vertébrés tels que les oiseaux, les chauves-souris et les mammifères terrestres agrippent les surfaces en étudiant leurs pattes et leurs griffes. Ces travaux reposent principalement sur des approches telles que des analyses morphologiques comparatives pour évaluer la géométrie du pied, des orteils et des griffes, des études sur le mouvement des animaux (appelée cinématique descriptive) ou des tests statiques de la force de préhension. Ces méthodes ont montré, par exemple, comment la forme des griffes varie en fonction de la taille et de l’utilisation des griffes lors des mouvements habituels dans l’environnement naturel. Par exemple, les griffes couramment utilisées pour la course au sol et les manœuvres ont généralement une plus grande profondeur et sont moins courbées que les griffes généralement utilisées pour l'escalade. Cependant, il manque des études sur la dynamique et les forces qui permettent à un animal d’utiliser ses pieds et ses griffes pour établir un support stable lors de l’atterrissage, par exemple lorsque les oiseaux se perchent.

Les perroquets du Pacifique sont des oiseaux arboricoles originaires des forêts de montagne de l'Équateur et du Pérou. Roderick et al. ont étudié comment ces oiseaux ont atterri (Fig. 1) sur sept perchoirs naturels ou artificiels de diamètres et de textures variés, y compris des surfaces rugueuses, molles et glissantes. Des branches de trois types d’arbres ont été testées, dont une appelée soie dentaire (Ceiba speciosa), trouvés dans l’habitat naturel des oiseaux.

Figure 1 | Comment un perroquet du Pacifique (Forpus coelestis) atterrit de manière stable sur un perchoir.Roderick et al. analysé la perche à l’aide de méthodes permettant d’évaluer les forces qu’un oiseau rencontre lors de l’atterrissage et en étudiant des enregistrements vidéo à haute vitesse. une, Lorsqu'un oiseau est sur le point d'atterrir, ses ailes, son corps et ses pattes sont placés de la même manière, de manière prévisible, conformément aux travaux antérieurs., suggérant que les oiseaux utilisent des indices visuels pour se positionner avant l'atterrissage. À ce stade, les orteils et les griffes de l’oiseau sont étendus. b, Lorsque l’oiseau est sur le point de prendre directement contact avec la perche, ses orteils commencent à se fermer, lors d’un événement décrit comme de la pré-formation. c, Lorsque les orteils de l’oiseau entrent en contact avec la perche, ils s’enroulent autour de celle-ci et la pressent. Les griffes commencent alors à s'enrouler. Cet événement peut être ultrarapide (1 à 2 millisecondes) si la surface de la perche est glissante.

Pour surveiller indépendamment l’avant et l’arrière de la surface d’atterrissage d’un perchoir, les auteurs ont conçu des perchoirs divisés de manière à ce que chaque moitié soit ancrée séparément à un capteur de force et de couple qui enregistre la synchronisation et les caractéristiques de la force d’atterrissage et de la force de rotation subie par le capteur. des oiseaux; les deux forces sont influencées par l'approche à l'atterrissage. Les auteurs ont également mesuré les forces de compression exercées par les pattes et les griffes des oiseaux lors de l’atterrissage. La combinaison de ces mesures et d’enregistrements vidéo à grande vitesse et à grande vitesse des mouvements d’atterrissage des ailes, du corps, des pattes, des pattes et des griffes de l’oiseau a fourni des informations détaillées sur les événements liés à l’atterrissage associés à la réalisation d’une perche stable ).

Les auteurs rapportent que les oiseaux se sont approchés de leur atterrissage sur un perchoir donné de la même manière en ce qui concerne les mouvements de leurs ailes et de leurs pattes, les forces d’atterrissage et de rotation variant de manière uniforme au cours de chaque processus d’atterrissage. Une telle stratégie d'atterrissage est cohérente avec les travaux antérieurs, indiquant que les oiseaux et les insectes s'approchent d'une cible à l'atterrissage en utilisant des repères visuels pour positionner avec précision leur corps de manière appropriée pour la durée estimée de leur contact avec la surface d'atterrissage.

Cette phase prédictive initiale d'atterrissage est suivie d'une phase d'ajustement rapide. Il s’agit probablement d’une réaction dite proprioceptive des capteurs de la peau, des muscles et des articulations de l’oiseau et de la communication avec le système nerveux, l’oiseau serrant la perche, tirant ses cale-pieds et ses griffes sur la surface de la perche pour obtenir une prise stable. Roderick et ses collègues ont pu, à l'aide de balayages au laser et de tests d'indentation, évaluer les propriétés de la surface de la perche et relier les frottements des orteils et des griffes des oiseaux aux mouvements de préhension des animaux. Ils ont également montré comment les mouvements des griffes de l'oiseau sont ajustés. pour ancrer les griffes à des perchoirs de différents diamètres et caractéristiques de surface.

Les oiseaux ont bouclé leurs griffes davantage sur des perchoirs difficiles à saisir, tels que ceux de grand diamètre ou générant peu de friction à l'atterrissage, que sur des perchoirs plus faciles. Au cours de cette phase de préhension, les forces de friction subies par les orteils (qui sont assez consistantes pour un type de perche donné) sont ensuite renforcées et sont accompagnées de forces de préhension moins prévisibles mais plus importantes exercées sur la surface de la perche par la pointe de la griffe. Cette stratégie offre une marge de sécurité stable pour la préhension de la perche comparable aux marges de sécurité analogues atteintes par les serpents. et des robots, et est supérieure aux marges de sécurité utilisées par les humains pour saisir de petits objets. Une fois stabilisés sur le perchoir, les oiseaux relâchent leur prise, évitant ainsi le coût inutile en énergie de l'activation musculaire.

Roderick et ses collègues ont pour limite de ne pas avoir enquêté sur le rôle du système nerveux dans le contrôle de la manière dont la préhension établit un atterrissage stable. Les auteurs rapportent des mouvements d'ancrage initial ultra-rapides (1–2 millisecondes) des griffes, ce qui suggère qu'ils pourraient être des mécanismes rapides, intrinsèques et élastiques, n'impliquant pas de contrôle neuronal. Cependant, ces mouvements ultra-rapides sont suivis d'ajustements plus durables des mouvements des orteils et des griffes qui aident probablement à établir la prise stable, permettant ainsi aux oiseaux de relâcher leur prise. Ces ajustements plus lents nécessitent probablement un retour proprioceptif via le système nerveux. Ce contrôle de rétroaction pourrait être évalué en enregistrant l'activation musculaire et les schémas de force au cours de l'atterrissage et de la perche. Inhiber l’activité des récepteurs mécanosensoriels dans les protège-orteils d’un oiseau avec un anesthésique permettrait de déterminer si la perte de rétroaction sensorielle des orteils affecte ces mouvements du pied et la capacité de l'atterrissage de l'oiseau.

Les vols d'atterrissage dans cette étude ont été courts et ont été effectués entre des perchoirs au même niveau horizontal. Cependant, les perroquets du Pacifique volent probablement vers des perchoirs situés au-dessus ou au-dessous de la position actuelle de l'animal lorsqu'ils se nourrissent. Il serait donc intéressant d'examiner si l'orientation du corps et les forces d'atterrissage varient en fonction de la trajectoire des vols à l'atterrissage. Peut-être de tels vols pourraient-ils présenter des schémas moins cohérents dans les premières étapes du processus d'atterrissage que ceux trouvés par les auteurs. Néanmoins, l’analyse biomécanique détaillée de Roderick et de ses collègues fournit une feuille de route importante pour les travaux futurs sur la manière dont les pieds, les orteils et les griffes permettent aux animaux de saisir les surfaces de manière stable.

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