Comment un oiseau africain pourrait inspirer une meilleure bouteille d’eau

Un gros plan extrême des plumes d’un oiseau doté d’une étrange capacité à retenir l’eau pendant qu’il vole pourrait inspirer la prochaine génération de matériaux absorbants.

Grâce à des microscopes haute résolution et à la technologie 3D, des chercheurs de l'Université Johns Hopkins et du Massachusetts Institute of Technology ont capturé une vue sans précédent des plumes du ganga du désert, mettant en valeur l'architecture singulière de leurs plumes et révélant pour la première fois comment ils peuvent contenir autant de choses. eau.

"C'est extrêmement fascinant de voir comment la nature a réussi à créer des structures si parfaitement efficaces pour absorber et retenir l'eau", a déclaré le co-auteur Jochen Mueller, professeur adjoint au département d'ingénierie civile et des systèmes de Johns Hopkins, spécialisé dans les matériaux intelligents et conception. "D'un point de vue technique, nous pensons que les résultats pourraient conduire à de nouvelles créations bio-inspirées."

L'ouvrage est publiédans L'interface de la Royal Society.

Le ganga des déserts africains niche généralement à environ 20 miles des points d’eau pour se protéger des prédateurs. Pour rapporter de l'eau aux poussins assoiffés, les mâles adultes exécutent l'un des meilleurs exemples d'activités de la nature, collectant de l'eau et rentrant chez eux avec, un exploit d'autant plus extraordinaire que le ganga des sables retient environ 15 % de son poids corporel dans l'eau. et en garder la majeure partie en sécurité pendant un vol de retour à environ 40 mph qui prend environ une demi-heure.

Les gangas mâles sont les seuls oiseaux connus à retenir l'eau de cette façon : leurs plumes abdominales spécialement adaptées en sont la clé.

D’autres chercheurs ont documenté pour la première fois ces extraordinaires plumes du ventre il y a plus de 50 ans. Mais ce n’est que maintenant, grâce à la technologie moderne, que l’équipe peut enfin démontrer le fonctionnement des plumes.

Mueller et Lorna J. Gibson, ingénieure au MIT, se sont concentrées sur la microstructure des plumes du ventre en utilisant la microscopie électronique à balayage, la tomodensitométrie, la microscopie optique et la vidéographie 3D, en examinant de près les tiges, chacune d'elles ne représentant qu'une fraction de la largeur d'un cheveu humain. et les barbules individuelles encore plus petites.

L’équipe a considérablement agrandi les plumes, les observant à la fois sèches et humides. Puis, dans un mouvement aussi délicat que crucial, tout en étant agrandies, les plumes sèches ont été trempées dans l'eau, retirées, puis immergées à nouveau, tout comme un ganga des sables près d'un point d'eau.

"Quand vous faites ce type de travail, vous ne pouvez même pas respirer, sinon vous vous envolez", a déclaré Mueller.

Mueller a décrit la structure individuelle des plumes comme « magnifique », avec des composants optimisés de plusieurs manières pour retenir l'eau, y compris la façon dont ils se plient, la façon dont les barbules forment des amas protecteurs en forme de tente lorsqu'elles sont mouillées et la façon dont les structures tubulaires à l'intérieur de chaque barbule captent l'eau.

Des plumes individuelles retenaient l'eau à travers une forêt de barbules près de la tige, travaillant ensemble avec les barbules enroulées près de la pointe agissant presque comme des capuchons.

"C'est ce qui nous a enthousiasmés, voir ce niveau de détail", a déclaré Mueller. "C'est ce que nous devons comprendre afin d'utiliser ces principes pour créer de nouveaux matériaux."

L’équipe a également modélisé informatiquement la consommation d’eau des plumes.

Mueller et Gibson s'attendent à ce que leurs découvertes soutiennent les futures conceptions techniques nécessitant une absorption contrôlée, une rétention sécurisée et une libération facile des liquides.

Les applications possibles incluent la conception de filets pour collecter et retenir l'eau du brouillard et de la rosée dans les régions désertiques ; et une bouteille d'eau conçue pour éviter les balancements et les ballottements gênants.

Pour la bouteille d'eau ou le sac à dos de sport, il réfléchit à un modèle qui retient beaucoup de liquide en toute sécurité, mais qui comprend un système intérieur en forme de plume qui empêche l'eau de se balancer lorsque quelqu'un se déplace avec. Il pense qu’un sac d’hydratation ou une poche à eau capable de faire cela serait particulièrement apprécié par les coureurs.

Il imagine également des écouvillons médicaux de niveau supérieur, plus faciles à utiliser, « dans lesquels vous pouvez absorber efficacement le liquide, mais il est beaucoup plus facile de le libérer », dit-il, ajoutant que la fonction de libération était un problème pour la collecte du test nasal COVID-19. échantillons pendant la pandémie.