La structure unique des moustaches d’éléphant leur confère une « intelligence » sensorielle intégrée
La trompe d’un éléphant est une merveille, suffisamment flexible pour se plier et s’étirer lorsqu’il cherche de la nourriture, mais aussi suffisamment rigide pour saisir et manipuler même des objets délicats comme des cacahuètes ou une chips tortilla. C’est parce que la trompe est très sensible en matière de perception tactile. Les scientifiques ont déterminé que les moustaches qui tapissent la trompe sont essentielles pour cette sensibilité grâce à leur structure unique, équivalant à une sorte « d’intelligence matérielle » innée, selon un nouvel article publié dans la revue Science.
Il existe une longue histoire d’étude des moustaches (vibrissae) chez les mammifères. Les rats, les chats, les écureuils arboricoles, les lamantins, les phoques communs, les loutres de mer, les putois, les musaraignes, les wallabies tammar, les lions de mer et les rats-taupes nus partagent tous des anatomies de moustaches de base remarquablement similaires, selon diverses études antérieures. Parmi d’autres applications potentielles, de telles recherches pourraient un jour permettre aux scientifiques de construire des moustaches artificielles comme capteurs tactiles en robotique, ainsi que d’en apprendre davantage sur le toucher humain.
Les moustaches sont beaucoup plus complexes qu’on pourrait le penser, tant dans leur structure que dans leur fonction. Les rats, par exemple, ont environ 30 grandes moustaches et des dizaines de plus petites, faisant partie d’un « système sensorimoteur de balayage » complexe qui permet au rat d’effectuer des tâches aussi diverses que l’analyse de texture, le toucher actif pour trouver un chemin, la reconnaissance de motifs et la localisation d’objets, simplement en balayant le terrain avec ses moustaches.
Techniquement, les moustaches ne sont que des poils, un ensemble de cellules de kératine mortes. C’est ce à quoi elles sont attachées qui les rend aussi sensibles que les bouts des doigts humains. Chaque moustache de rat est insérée dans un follicule qui la relie à un « baril » composé de pas moins de 4 000 neurones densément regroupés. Ensemble, ils forment une grille ou un réseau qui sert de « carte » topographique, indiquant au cerveau du rat exactement quels objets sont présents et quels mouvements se produisent dans leur environnement immédiat. Tous ces barils sont à leur tour câblés ensemble en une sorte de réseau neuronal, de sorte que le rat obtient des indices multidimensionnels sur son environnement. Les moustaches de rat résonnent également à certaines fréquences; il y a des moustaches plus courtes près du nez, avec des plus longues plus en arrière, permettant aux rats de créer une sorte de « carte de fréquences » en mettant leur nez partout.
Les moustaches d’éléphant sont probablement les plus proches de celles des chats, selon les auteurs de cet article le plus récent. Contrairement aux moustaches de chat, cependant, celles d’un éléphant ne bougent pas. Les moustaches poussent en rangées le long de chaque côté de la surface de la trompe; combien il y en a et les motifs dans lesquels elles sont disposées dépendent de l’espèce. Andrew Schulz, un postdoctorant travaillant sur l’haptique à l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents, et ses co-auteurs ont utilisé une combinaison d’imagerie micro-CTR, de microscopie électronique, de tests mécaniques et de modélisation informatique fonctionnelle pour en savoir plus sur les moustaches d’éléphant d’Asie: non seulement leur forme (géométrie) mais aussi leur porosité et leur rigidité matérielle (c’est-à-dire leur douceur).
Les scanners micro-CT ont révélé que les moustaches d’éléphant sont épaisses et en forme de lame, contrairement aux moustaches effilées des souris et des rats. La structure est poreuse, avec une base creuse et plusieurs canaux internes, similaires à ceux trouvés dans les sabots de cheval ou les cornes de mouton. Cela rend les moustaches plus résistantes aux impacts et moins sujettes à la rupture, une caractéristique importante, car une fois endommagées, les moustaches d’éléphant ne repoussent pas.
Les chercheurs ont également utilisé un cube de diamant de la taille d’une seule cellule pour pousser contre les parois des moustaches individuelles d’éléphant et de chat, à la fois à la base et à la pointe. Ils ont constaté que la base des moustaches d’éléphant et de chat était rigide comme du plastique, s’assouplissant progressivement vers une pointe plus résiliente, semblable à du caoutchouc, contrairement aux poils corporels des éléphants d’Asie, qui sont rigides partout.
Mais ce gradient de rigidité pourrait-il réellement affecter la sensibilité de la trompe au toucher? Pour le découvrir, l’équipe a imprimé en 3D une version plus grande d’une moustache d’éléphant de la taille d’une baguette. La co-auteure Katherine Kuchenbecker, mentore de Schultz au MPI, a testé la baguette en marchant dans les couloirs, tapotant les colonnes et les rampes en passant. Et oui, il s’est avéré que c’était un instrument sensible. « J’ai remarqué que taper sur la rampe avec différentes parties de la baguette-moustache donnait des sensations distinctes, douces et délicates à la pointe, et vives et fortes à la base », a déclaré Kuchenbecker. « Je n’avais pas besoin de regarder pour savoir où le contact se produisait; je pouvais simplement le sentir. »
Les simulations informatiques de l’équipe ont confirmé cette hypothèse. « Le gradient de rigidité fournit une carte permettant aux éléphants de détecter où le contact se produit le long de chaque moustache », a déclaré Schultz. « Cette propriété les aide à savoir à quelle distance leur trompe se trouve d’un objet… le tout intégré dans la géométrie, la porosité et la rigidité de la moustache. Les ingénieurs appellent ce phénomène naturel l’intelligence incarnée. Les capteurs bio-inspirés qui ont un gradient de rigidité artificiel semblable à celui d’un éléphant pourraient fournir des informations précises avec peu de coût de calcul purement grâce à une conception matérielle intelligente. »
