De la modélisation d’ailes de grillons à la conception de nouveaux matériaux acoustiques
Des sauts d’harmoniques aux métasurfaces acoustiques : apport de la modélisation acoustique non linéaire pour l’étude des innovations évolutives et la recherche de métamatériaux.
Ce projet vise à étudier les fondements physiques d’une innovation évolutive correspondant à l'émission de signaux acoustiques de hautes fréquences chez des grillons, puis de s’en inspirer pour concevoir des matériaux acoustiques innovants.
Le contexte
L’évolution est une source intarissable d’innovations pour le vivant, mais aussi une grande source d’inspiration pour l’Homme. Or les différentes facettes des innovations, évolutives, fonctionnelles et appliquées, sont rarement étudiées conjointement. En acoustique, les sauts d’harmoniques sont des phénomènes acoustiques qui consistent à modifier la fréquence d’un son en passant d’une fréquence harmonique à une autre. Dans le vivant, il n’existe que de rares exemples de transposition du phénomène de sauts d’harmoniques : l’un deux se trouve chez les grillons Eneopterinae. Bien que rares, ces phénomènes constituent des innovations évolutives de premier ordre, entraînant des bouleversements de la biologie des espèces en affectant considérablement les signaux avec lesquels les animaux interagissent entre eux et avec leur environnement. L’application du phénomène de saut d’harmonique au domaine des métamatériaux acoustiques pourrait amener au développement de nouveaux matériaux bio-inspirés.
Les objectifs
Le premier objectif de ce projet de thèse est de comprendre, sous un angle biomécanique, l'origine évolutive du phénomène de saut d'harmonique observé au sein des signaux de communications des grillons Eneopterinae. Le second objectif est de prendre appui sur les nouvelles connaissances acquises concernant le phénomène de saut d'harmonique afin de construire une démarche biomimétique innovante capable d'intégrer et d'exploiter des connaissances scientifiques issues des sciences de l'évolution. Le but final est de développer des applications innovantes au sein du domaine des métamatériaux acoustiques.
L'approche et l'équipe
Une étude des caractéristiques morphologiques et biomécaniques des élytres des différentes espèces sera menée. Des méthodes comparatives phylogénétiques permettront ensuite d’inférer les dimensions, formes et caractéristiques morphométriques aux nœuds clés de l’arbre de parenté de ces grillons, de manière à caractériser chacune des transitions ayant conduit au passage d’un harmonique à un autre au cours de l’évolution. Des modélisations acoustiques seront également menées afin d’identifier les processus responsables des sauts d’harmoniques en partant de modèles de vibration connus des ailes de grillons. Ces modèles seront construits et validés par l’étude de cas concrets associant morphologies 3D et analyses par laser des modes de vibration des ailes chez une sélection d’espèces actuelles. Enfin, les processus sous-jacents identifiés du phénomène de saut d’harmonique pour le modèle grillon seront comparés aux propriétés décrites dans l’étude des différentes architectures de métamatériaux acoustiques. Une démarche biomimétique sera mise en place afin de transposer ces nouvelles propriétés au travers de nouvelles architectures de métamatériaux.
L'adéquation à l’initiative IBEES
Ce projet propose un réel dialogue entre étude des formes et des structures biologiques, analyse phylogénétique, modélisation physique et acoustique théorique, qui permettra de faire s’éclairer mutuellement l’étude des innovations évolutives correspondant aux sauts d’harmoniques et l’étude des métasurfaces acoustiques dans un contexte biomimétique.
Contacts
Porteurs :
- Tony Robillard – Courriel - Tél. 01 40 79 57 52 – Site
- Vincent Tournat – Courriel - Tél. 02 43 83 36 24 / Site
- Philippe Grandcolas – Courriel - Tél. 01 40 79 38 48 – Site
Doctorant :
Appel à projet : AAP 2020
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Informations complémentaires
Visuel 1 – Mâle de l’espèce Agnotecous sarramea en train d’émettre son chant d’appel depuis la base d’un arbre en Nouvelle-Calédonie. Le chant possède une fréquence proche des ultrasons et correspond au second pic harmonique (© Damien Brouste)
Visuel 2 – Modélisation de l’élytre de l’espèce Ponca hebardi montrant les modes propres de vibration, réalisée par la méthode des éléments finis à partir d’un modèle 3D de l’aile (©: Teddy Gaiddon)
Visuel 3 – Modélisation de l’élytre de l’espèce Nisitrus vittatus montrant les modes propres de vibration, réalisée par la méthode des éléments finis à partir d’un modèle 3D de l’aile (©: Teddy Gaiddon)
Visuel 4 – Contexte phylogénétique du projet présentant les états ancestraux du pic de fréquence dominante du chant reconstruit par maximum de vraisemblance (©: T. Robillard).
