Modélisation d’une trompe d’éléphant

La trompe de l'éléphant est l'un des organes de préhension les plus complexes du règne animal. Pourvue de 150000 faisceaux musculaires et capable de saisir avec puissance, précision et aspiration, ses adaptations représentent des solutions bio-inspirées uniques. 

Présentation du projet

Les éléphants utilisent leur trompe dans des contextes variés tels que la communication, l’utilisation et la fabrication d’outils et la manipulation de la nourriture. Précise et puissante à la fois, ce proboscis est une fusion du nez allongé avec la lèvre supérieure de l’éléphant. Principalement composé de muscles et dépourvu de structure rigide, cet hydrostat musculaire possède une grande liberté de mouvements. Bien que remplissant des fonctions fondamentales pour la survie des éléphants, l’évolution de la trompe reste obscure.

En parallèle des questions biologiques irrésolues, l’industrie a besoin de nouveaux bras robotisés flexibles et robustes, capables de saisir et soulever à la fois des petits objets et des lourdes charges et de les déplacer avec précision pour assurer la sécurité des lieux et des personnes. Comprendre les liens entre les tâches, les contextes et les solutions biologiques développées par les éléphants pour survivre, peut contribuer à innover et créer de nouveaux robots reproduisant les mouvements complexes de la trompe.

Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de quantifier et expliquer la variabilité du comportement de la trompe des éléphants de savane d’Afrique, dont l’extrémité comporte deux doigts, à l’aide d’une approche éthologique et biomécanique. Que l’on se place à l’échelle de l’individu ou de la population, les capacités de préhension et de manipulation de la trompe peuvent- elles s’expliquer par sa forme, sa trajectoire, sa vitesse, sa force ou le comportement de l’éléphant ?

Pour répondre à cette question et analyser précisément le fonctionnement de la trompe, des procédures interdisciplinaires sont utilisées pour acquérir et analyser les données : quantification de la variabilité comportementale de l’utilisation de la trompe chez des individus sauvages dans des environnements variés, mesure de la force maximale et étude de la cinématique de la partie distale du proboscis chez des individus captifs. Ce projet permettra, d’une part, d’enrichir la discussion autour des questions biologiques et écologiques fondamentales qui nous interrogent. Comment et pourquoi cette trompe a-t-elle évolué de manière différente selon les espèces et les populations ? Quelle est la variabilité des usages de la trompe en fonction de l’environnement ? D’autre part, grâce à un transfert de connaissances vers la robotique bio-inspirée, toutes ces nouvelles données aideront à concevoir un prototype inédit de trompe préhensile capable de reproduire le mouvement de la trompe des éléphants.

Mots-clés : préhension, manipulation, trompe, éthologie, biomécanique, robotique, bio-inspiration

Le contexte 

La trompe de l'éléphant est l'un des organes de préhension les plus complexes du règne animal. Pourvue de 150000 faisceaux musculaires et capable de saisir avec puissance, précision et aspiration, ses adaptations représentent des solutions bio-inspirées uniques. Dans le même temps, l'industrie a un besoin urgent de nouveaux bras robotisés flexibles et robustes, notamment pour déplacer des charges lourdes tout en assurant la sécurité des personnes. Cependant, aucun robot industriel actuel (rigide ou souple) ne peut assurer à la fois des déplacements sûrs, la saisie d'objets lourds par enroulement et la saisie de précision. 

Les objectifs et apports

Le but global du projet est de développer une étude étho-fonctionnelle de la trompe pour, à termes, créer de nouveaux robots bio-inspirés avec des corps continus, flexibles et robustes. Plus précisément, les objectifs de cette thèse sont de quantifier le répertoire comportemental morpho-fonctionnel des utilisations de la trompe des éléphants d'Afrique actuels au cours de tâches complexes de préhension et de manipulation afin de comprendre 1) la variabilité des utilisations de la trompe, 2) les paramètres 3D morpho-fonctionnels de la préhension et des manipulations de la trompe en fonction des propriétés des objets et des tâches. Ces connaissances seront utilisées pour concevoir, en parallèle, un prototype préhensile capable de reproduire les mouvements de la trompe. D'un point de vue fondamental, nous améliorerons notre connaissance des mécanismes évolutifs d'un organe aussi complexe de manipulation et d'un animal emblématique. D'un point de vue appliqué, les données seront directement utilisées pour créer un prototype opérationnel unique pour le déplacement de charges lourdes en toute sécurité.

L'approche et l'équipe

Cette thèse, interdisciplinaire, impliquera l’utilisation des méthodes issues de l’éthologie, de la morphologie fonctionnelle et de la biomécanique. Cette thèse sera encadrée par Emmanuelle Pouydebat (MECADEV) et Raphael Cornette (ISYEB). Des collaborations seront également impliquées pour la partie biomécanique (LBMC, Lyon) et robotique (LS2N, Nantes).

L'adéquation à l’initiative IBEES

Notre projet est fédérateur et transversal et propose une recherche interdisciplinaire afin de donner au doctorant et aux chercheurs impliqués (aux compétences différentes) l'opportunité de confronter leurs connaissances et expériences. Ce projet propose également des enjeux sociétaux et implique différents mots-clés et thématiques de plusieurs instituts de Sorbonne Université, Initiatives Biodiversity, Evolution, Ecology, Society (IBEES) en particulier. 

AAP 2021
Porteur : Emmanuelle Pouydebat (MECADEV – UMR 7179)
Co porteurs : Raphaël Cornette (ISYEB – UMR 72005) – Damien Chablat (LS2N - UMR 6004)
Doctorante : Pauline Costes