L’insecte qui fait pipi avec une catapulte est le premier exemple connu de « superpropulsion »

Des parents de cigales connus sous le nom d’insectes tireurs d’élite peuvent catapulter des gouttelettes de pipi à des vitesses ultra-rapides, révélant le premier exemple connu de « superpropulsion » dans la nature, selon une nouvelle étude.

Cet effet nouvellement découvert aide les insectes à économiser de l’énergie pendant le pipi et peut inspirer de meilleurs dispositifs autonettoyants et des moteurs robotiques mous, ont noté les scientifiques.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont examiné des parents de cigales connus sous le nom de tireurs d’élite aux ailes vitreuses (s’ouvre dans un nouvel onglet) (). Ces insectes, qui mesurent environ un demi-pouce (1,2 centimètre) de long, se nourrissent de la sève du xylème, la partie ligneuse d’une plante qui fait remonter l’eau et les nutriments dissous des racines, par opposition au phloème, qui fait descendre le sucre des racines. feuilles.

Le régime alimentaire du tireur d’élite est composé à 95% d’eau et pauvre en nutriments. Ainsi, les insectes boivent constamment de la sève de xylème pour avoir suffisamment à manger et urinent jusqu’à 300 fois leur poids corporel par jour. (À titre de comparaison, les humains urinent environ un quarantième de leur poids corporel par jour.)

Bien que l’on sache beaucoup de choses sur la mécanique de l’alimentation, il reste encore beaucoup d’inconnues sur la physique de l’excrétion, ont noté les chercheurs. Ils se sont concentrés sur les tireurs d’élite pour voir si leurs petits corps développaient des innovations intelligentes pour faire face à la « pluie de cicadelles » qui fait constamment pipi.

« J’ai vu ces insectes uriner une fois et je suis tombé amoureux », étudie l’auteur principal Saad Bhamla (s’ouvre dans un nouvel onglet)biophysicien au Georgia Institute of Technology d’Atlanta, a déclaré à Live Science.

Les scientifiques ont utilisé des vidéos à haute vitesse et la microscopie pour analyser une structure à l’extrémité de la queue du tireur d’élite, techniquement appelée le stylet anal, ou comme l’a appelé Bhamla, un « scintillement des fesses ». Lorsque l’insecte est prêt à faire pipi, le stylet se plie vers le bas pour faire de la place lorsque l’insecte expulse une goutte d’urine. Lorsque la goutte atteint une taille optimale, le stylet se plie encore plus vers le bas puis, comme les nageoires d’un flipper, lance la goutte, accélérant de plus de 40 g – 10 fois plus que les voitures de sport les plus rapides.

Les chercheurs ont découvert que le stylet se déplaçait jusqu’à 0,75 pied par seconde (0,23 mètre par seconde). Cependant, les gouttelettes catapultées volent environ 40 % plus vite, jusqu’à 1,05 pied par seconde (0,32 m/s).

La découverte révèle qu’un effet appelé superpropulsion, auparavant observé uniquement dans des environnements artificiels, se produit. Avec la superpropulsion, un projectile élastique se déplace plus rapidement que sa rampe de lancement en raison d’un regain d’énergie qu’il reçoit en synchronisant ses mouvements avec celui de sa rampe de lancement, comme un plongeur chronométrant son saut d’un tremplin.

Plus précisément, les scientifiques ont découvert que le stylet comprimait les gouttelettes, stockant de l’énergie dans leur tension superficielle juste avant le lancement pour aider à les catapulter à grande vitesse. La tension superficielle est la force qui oblige les gouttes de liquide à perler, et elle résulte de la façon dont les molécules des liquides se collent les unes aux autres par opposition à autre chose, ce qui fait que les surfaces des liquides agissent comme des membranes flexibles.

« Souvent, nous négligeons l’excrétion parce que c’est tabou ou idiot, mais c’est une fonction biologique critique semblable à l’alimentation qui a d’importantes implications énergétiques, écologiques et évolutives », a déclaré le premier auteur de l’étude. Élio Challita (s’ouvre dans un nouvel onglet), biophysicien au Georgia Institute of Technology, a déclaré à Live Science. « Ce qui a commencé comme une observation curieuse d’un mécanisme de pipi inhabituel a révélé le premier exemple de superpropulsion dans un organisme biologique. »

Pour comprendre pourquoi les tireurs d’élite ont catapulté des gouttelettes d’urine au lieu de pulvériser de l’urine dans des jets, les chercheurs ont utilisé des microscanners pour analyser l’anatomie des insectes et prendre des mesures à l’intérieur des insectes. Cela a aidé l’équipe à calculer la pression et l’énergie dont les insectes avaient besoin pour uriner, révélant que la superpropulsion demandait quatre à huit fois moins d’énergie que les jets.

Ces découvertes peuvent aider les ingénieurs à construire des appareils qui peuvent se nettoyer avec moins d’énergie. « Les gouttelettes d’eau adhèrent souvent aux surfaces en raison de la tension superficielle, ce qui peut être indésirable dans plusieurs contextes, tels que le nettoyage et la prévention des dommages à l’électronique », a déclaré Challita. « La superpropulsion des gouttelettes offre un moyen d’éjecter les gouttelettes des surfaces en faisant vibrer la surface à la fréquence vibratoire des gouttelettes. »

De plus, les résultats peuvent aider à améliorer l’efficacité des moteurs que les robots souples et flexibles utilisent pour se déplacer, a déclaré Challita. Dans l’ensemble, « nous pouvons découvrir des choses incroyables dans nos propres arrière-cours – nous devons juste regarder de près », a déclaré Bhamla.

Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne le 28 février dans le journal Communication Nature (s’ouvre dans un nouvel onglet).