Y-a-t-il un pilote dans l'oiseau ?
Publié par Isabelle le 12/10/2019 à 14:00
Source: CNRS INSB

Lorsque les goélands volent vers l'avant, la mer balaie leur champ visuel d'avant en arrière. Ce "flux optique" leur fournit des informations cruciales sur la vitesse et la hauteur. La perception de ce flux optique serait-elle impliquée dans une sorte de "pilote automatique (Un pilote automatique (souvent abrégé PA) est un système permettant de maintenir un véhicule sur une trajectoire et avec une vitesse...)" ? C'est ce que vient de démontrer une équipe européenne qui a développé un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse, la traduction des résultats...) de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...) appelé "régulateur de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.)". En effet, ce modèle prédit l'altitude de vol des goélands. Leurs travaux sont publiés dans la revue Royal Society Interface.

Au milieu des années 2000, le "régulateur de flux optique" avait été mis en évidence chez les insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large public d'amateurs et de naturalistes. Produite par l'Office pour les...) ailés. Cette fois, c'est chez l'oiseau (Un oiseau (ou classe des Aves) est un animal tétrapode appartenant à l'embranchement des vertébrés. S'il existe près de 10 000 espèces d'oiseaux, très différentes tant par leur...) que ce même mécanisme de pilotage vient d'être démontré. Pour cela, les chercheurs ont développé un modèle mathématique particulier guidant le vol pour les goélands, puis ont comparé ce modèle aux données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de suivi télémétrique (positions GPS en 3D) de plusieurs goélands volant au-dessus de la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) Baltique.

On sait aujourd'hui que les prouesses en vol des oiseaux reposent en partie sur leur capacité à percevoir le flux optique provenant du sol ou de la mer: chez l'oiseau, il existe des neurones spécialisés dans la vision du mouvement. Ainsi, lorsqu'un oiseau vole au-dessus de la mer, l'image de la mer défile d'avant en arrière dans la partie ventrale de son champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) visuel, créant ainsi un "flux optique". Ce défilement optique est égal au quotient de la vitesse (On distingue :) horizontale et de l'altitude. Ce que les auteurs appellent un "régulateur de flux optique" est un contrôleur d'altitude qui va maintenir à une valeur constante ce flux optique, donc le quotient vitesse/altitude. Si l'oiseau vient à changer de vitesse, le contrôleur de vol en question agira (Agira est une commune italienne de la province d'Enna dans la région Sicile en Italie.) automatiquement sur sa force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) de sustentation, ici les battements d'ailes, pour changer d'altitude de manière à maintenir constant le quotient entre ces deux grandeurs. Un animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de...) ajustant son altitude sur la base de ce quotient vitesse/altitude n'a besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes...) de mesurer ni sa vitesse ni son altitude.

A la base de ces comportements étonnants se trouvent, cachés dans la tête de l'oiseau, des neurones sensibles à des mouvements spécifiques qui sont de véritables capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On fait souvent...) de flux optique. L'équipe européenne (Suède, Pays-bas, Royaume-Uni, France) suggère que les neurones LM (pretectal nucleus lentiformis mesencephali) présents chez les oiseaux, ceux même dédiés à la détection du mouvement, sont sans doute les neurones impliqués.

Lorsqu'un goéland décolle en mer pour revenir à son nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir leurs œufs et fournir un premier abri à leur progéniture. Les nids sont généralement fabriqués à partir...), le goéland bat des ailes: ceci augmente sa vitesse d'avance. Son régulateur de flux optique le mènera à une augmentation de sa force de portance (sustentation), pour maintenir son flux optique à la valeur de référence jusqu'à ce que l'oiseau atteigne sa vitesse de croisière (La vitesse de croisière d'un aéronef est la vitesse correspondant au régime des moteurs prévu pour la partie courante d'un vol, c'est-à-dire sans la phase de montée et d'approche en vue de l'atterrissage.), valeur lui permettant de maximiser l'efficacité énergétique (En physique et ingénierie mécanique, l'efficacité énergétique (ou efficacité thermodynamique) est un nombre sans dimension, qui est le rapport entre ce qui peut être...) de son vol.

Les auteurs ont également observé statistiquement que plus le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur...) était favorable (venant de l'arrière), plus les oiseaux augmentaient leur altitude, et réciproquement, ce qui s'explique également par un pilote automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les mathématiques, la théorie du...) basé sur un "régulateur de flux optique". Le contrôleur de vol proposé, pourtant fort simple, permet de rendre compte de 50 ans d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) en ornithologie, souvent surprenantes et conduites (par exemple au radar) dans les années 60. Il permet d'expliquer le fait que les oiseaux effectuant un vol directionnel (une migration, ou un retour au nid) volent à basse altitude par vent de face et s'élèvent par vent arrière.


Figure: a) Un goéland volant au-dessus de la mer génère un champ vectoriel de flux optique. Un tel champ vectoriel est perçu par un goéland en fonction des contrastes créés notamment par les crêtes des vagues.
b) L'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de...) de flux optique est déterminée par la vitesse d'avance du goéland et son altitude. Si le flux optique est maintenu constant en ajustant l'altitude, l'altitude aura toujours tendance (à travers la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de l'oiseau) à être proportionnel à la vitesse d'avance (seule une combinaison (Une combinaison peut être :) linéaire - ligne pointillée rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) - entre l'altitude et la vitesse d'avance est asymptotiquement possible).
c) Amplitude du flux optique dans le champ de vision ventral de l'oiseau à une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de 10m: l'amplitude du flux optique ventral est maximale à l'aplomb.
© Franck RUFFIER

Pour en savoir plus:
Optic flow cues help explain altitude control over sea in freely flying gulls
Serres JR, Evans TJ, Åkesson S, Duriez O, Shamoun-Baranes J, Ruffier F, Hedenström A.
J. R. Soc. Interface 09 October 2019 . doi.org/10.1098/rsif.2019.0486

Contact chercheur:
Franck Ruffier - Chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des sciences du mouvement - Etienne-Jules Marey (ISM) - CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) d'Aix-Marseille
franck.ruffier at univ-amu.fr
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