Des hauts et des bas pour retrouver son chemin

Publié par Isabelle le 10/09/2021 à 13:00
Source: CNRS INSB
En vol d'avance, les oscillations verticales de l'abeille peuvent aider l'odomètre (compteur de distance) de son intégrateur de chemin à estimer la distance parcourue. Grâce à une mise à l'échelle visuelle, l'odomètre qui intègre le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) ventral est beaucoup plus robuste aux variations de la vitesse (On distingue :) et de la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de vol. Cette étude, publiée dans la revue Journal of The Royal Society Interface, montre aussi que la mise à l'échelle est rendue possible par les flux optiques de contraction et d'expansion générés par les hauts et les bas de l'abeille (Abeille est un nom vernaculaire ambigu désignant en français certains insectes...).


a) En oscillant verticalement en vol d'avance, l'insecte enrichit son champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) de flux optique ventral en ajoutant une composante d'expansion et de contraction au flux optique de translation.
b) Simulation d'une abeille en vol d'avance en plein champ qui oscille et régule (Les régules sont des alliages d'étain ou de plomb et d'antimoine.) son flux optique ventral en présence de diverses conditions de vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) et de relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé...).
c) La distribution (en vert) très resserrée et proche du but à atteindre montre que l'intégration du flux optique ventral mise à l'échelle visuellement du modèle SOFIa est beaucoup plus fiable que l'intégration brute du flux optique (cf. à la distribution très étalée en couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) gris): notamment, elle ne dépend plus de la direction du vent.
© L. Bergantin, N. Harboui, T. Raharijaona & F. Ruffier.

Les insectes ailés de la famille des hyménoptères (abeilles,...) et des lépidoptères (papillons,...) sont connus pour osciller en vol d'avance à une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) comprise entre 1Hz et 5Hz. En oscillant verticalement en vol d'avance, l'insecte (Les insectes (Insecta) font partie du sous-embranchement des hexapodes, elle-même incluse dans...) enrichit son champ de vecteur de flux optique ventral en ajoutant une composante d'expansion et de contraction au flux optique de translation. Les scientifiques ont simulé la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) en plein champ d'une abeille en vol d'avance qui oscille et régule son flux optique ventral en présence de diverses conditions de vent et de relief.

Lors de la danse en huit dans la ruche, les abeilles butineuses communiquent à leurs congénères la direction et la distance à la source de nourriture. On sait depuis les années 90 que cette distance est estimée par les butineuses sur la base du flux optique perçu pendant leur trajet. Depuis, on supposait que cette estimation de la distance parcourue était réalisée en intégrant mathématiquement le flux optique ventral, c'est à dire la vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée...) brute de l'image du sol.

Dans cette étude, les chercheurs montrent qu'une intégration mathématique brute du flux optique n'est pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) fiable car elle dépend trop de la direction du vent ainsi que de la vitesse et de la hauteur de vol. En revanche, la simulation indique qu'une intégration du flux optique ventral mise à l'échelle visuellement est particulièrement robuste aux diverses conditions de vent et ce quelle que soit la trajectoire.

Cette mise à l'échelle est basée sur la perception visuelle de la hauteur du sol: elle est rendue possible grâce aux flux optiques d'expansion et de contraction générés par les propres oscillations verticales de l'abeille en vol. Cette perception visuelle de la hauteur sol est simulée par un estimateur appelé filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) de Kalman étendu. Pour estimer cette hauteur sol, le filtre prend pour entrées: (i) la divergence du flux optique ventral rendant compte de l'expansion et de la contraction du flux optique et (ii) la commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un...) d'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de battements d'ailes agissant principalement sur la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...).

Par conséquent, le modèle développé d'odomètre (Un odomètre est un instrument de mesure, permettant de connaître la distance parcourue par un...) visuel appelé SOFIa montre que ces hauts et ces bas présents dans les trajectoires de vol peuvent aider les abeilles (i) à retrouver une source de nourriture, (ii) à retourner à proximité immédiate de la ruche et (iii) à communiquer à leurs congénères une distance de vol fiable entre la ruche et la source de nourriture.

Une application future particulièrement prometteuse du modèle SOFIa est la navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) de robots volants dans des environnements privés de GPS. En effet, cet odomètre visuel évaluera la distance parcourue avec précision sur la seule base d'une vision minimaliste: un brevet1 a été déposé dans ce sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) en janvier 2021.

Note:
1Demande de brevet prioritaire FR2100203 déposée le 11/01/2021, "DISPOSITIF D'ESTIMATION DE DISTANCE A UNE SURFACE (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) ET DE LONGUEUR (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) PARCOURUE", Inventeurs: F. Ruffier, L. Bergantin, T. Raharijaona

Pour en savoir plus:
Oscillations make (make est un logiciel traditionnel d'UNIX. C'est un « moteur de...) a self-scaled model for honeybees' visual odometer reliable regardless of flight trajectory
Bergantin L, Harbaoui N, Raharijaona T, Ruffier F. 2021.
J. R. Soc. Interface 8 septembre 2021 https://doi.org/10.1098/rsif.2021.0567


© C. Coquet, L. Bergantin & F. Ruffier

Laboratoire:
Institut des sciences du mouvement - ISM (CNRS/AMU) - CP910, 163 av. de Luminy. F-13288 Marseille Cedex 09 France.

Contact:
Franck Ruffier - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) des sciences du mouvement - Etienne-Jules Marey (ISM) - CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'Aix-Marseille - franck.ruffier at univ-amu.fr
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