Une crevette féroce inspire une griffe de robot qui tire du plasma


La crevette au pistolet, aka la crevette claquant, est une contradiction particulière. D'une longueur de quelques centimètres à peine, il utilise une griffe d'aspect régulier et une autre de taille énorme qui s'enclenchent avec une telle force. L'onde de choc résultante assomme sa proie à froid. Lorsque les deux parties de la griffe se rejoignent, des bulles se forment puis s'effondrent rapidement, projetant une balle de plasma qui à son tour produit un éclair de lumière et des températures de 8 000 degrés Fahrenheit. C’est vrai, une créature sous-marine qui tient dans la paume de votre main peut, d’un simple geste de sa griffe, transformer en arme une explosion de bulles extrêmement chaudes.

Les scientifiques apprennent maintenant à utiliser eux-mêmes cette formidable force. Aujourd'hui dans le journal Progrès de la science, les chercheurs expliquent comment ils ont modelé une griffe robotique d'après le pistolet à plasma des pistolets à crevettes pour générer leur propre plasma. Cela pourrait donner lieu à de nombreuses utilisations sous-marines, une fois que les scientifiques auront peaufinée leur version d’une des inventions les plus étranges de l’évolution.

Si tout ce que les crevettes au pistolet ont est un marteau à plasma, le monde entier ressemble en effet à un clou. Il utilise sa griffe pour chasser, bien sûr, mais aussi pour communiquer avec des clichés qui mesurent 210 décibels (un véritable pistolet produit environ 150 décibels). Certaines espèces utilisent même les explosions de plasma pour sculpter des morceaux de récif comme abri. Le fond de la mer est si bruyant qu’il peut interférer avec le sonar.

L’ingénieur en mécanique de Texas A & M, David Staack, a estimé que la polyvalence pourrait également être utile pour les humains. Son équipe a commencé par se procurer des crevettes vivantes au pistolet. Comme d’autres arthropodes, ces animaux muent périodiquement et perdent leurs exosquelettes au cours de leur croissance. Ces exosquelettes ont fourni à Staack un joli petit casting de la griffe, qu’il a ensuite numérisé pour créer un modèle 3D détaillé. Il l’a envoyé à Shapeways, le service commercial d’impression 3D, et a récupéré une version en plastique du pistolet à plasma des crevettes.

Cela a permis à Staack d'expérimenter la structure unique du membre. La moitié supérieure de la griffe, que les crevettes ramassent et verrouillent, comprend un «plongeur» qui s’enfonce violemment dans une «douille» située dans la moitié inférieure de la griffe. Cela crée un courant d'eau rapide qui produit des bulles, également appelé cavitation dans cette situation.

«Cela nous a rappelé un piège à souris», déclare Staack. «Nous avons donc fait des expériences dans lesquelles nous avons placé des pièges à souris sous l'eau, juste pour voir à quelle vitesse tournait le petit bras lorsque vous le déclenchiez. Nous avons pris cette idée de piège à souris et l'avons appliquée comme moyen de fermer la griffe. "

Dans la version de la griffe de Staack, sa moitié supérieure tourne rapidement sur une tige à ressort, générant suffisamment de force pour enfoncer le piston dans la douille. Cette action génère un courant d'eau à grande vitesse qui produit à son tour une bulle de cavitation, qui est initialement basse pression et relativement grande. Mais alors il commence à s'effondrer.

«L'eau pénètre et rentre, et rentre, et vous obtenez des pressions et des températures très élevées», explique Staack. Les températures sont si élevées, en fait, qu'elles créent un plasma émettant de la lumière, ce que vous pouvez également voir lorsque la crevette au pistolet claque sa propre griffe. «Alors qu’il essaie de repousser l’eau, il envoie une onde de choc.» C’est ainsi que le crustacé assomme sa proie à l’état sauvage.

Ondes de choc de la rupture de la griffe robotique.

David Staack

L'instantané incroyablement puissant produit une bulle de cavitation qui s'effondre et émet de la lumière.

David Staack

Au laboratoire, les chercheurs ont utilisé des caméras à haute vitesse pour observer le jet d'eau sortant de leur griffe. Ils ont également imaginé les ondes de choc résultantes, capturant l'éclair de lumière lorsque le plasma se forme.

La crevette au pistolet n’a pas le monopole de la production de plasma sous-marin. Les gens soudent sous l'eau à l'aide de plasma, appelé soudage à l'arc au plasma, qui produit une chaleur intense. Et les chercheurs peuvent aussi faire du plasma dans l'eau avec des lasers. Le problème est que ces moyens sont inefficaces. Utiliser la griffe pour générer du plasma est 10 fois plus efficace que les méthodes précédemment explorées, explique Staack. Cependant, il faudra plus de développement pour pouvoir évoluer.

Et cela pourrait bien devenir encore plus efficace, car les chercheurs n'auraient pas besoin de suivre fidèlement la biologie de la crevette au pistolet. En fait, Staack réalisa qu'ils pouvaient réduire la taille du tranchant supérieur de la griffe. Dans la vraie crevette au pistolet, elle est bulbeuse car elle contient les muscles nécessaires au fonctionnement du membre. Mais cette version robotique n’est pas contrainte par cette biologie.

«Reproduire ce que l'animal a fait est la première étape», explique Rachel Crane, biologiste à l'Université de Stanford, qui a aidé à développer Ninjabot, un appareil reproduisant la frappe de la crevette mante, qui produit également des bulles de cavitation. «Et ensuite, vous pouvez regarder cela et vous dire, oui, je n'ai pas besoin d'un muscle gigantesque, et je peux donc couper cette partie. Ensuite, vous pourrez concevoir un meilleur système.

Les chercheurs pourraient même vouloir revenir à la nature pour trouver des moyens de modifier le système. Des centaines d'espèces de crevettes au pistolet disparaissent dans la mer, chacune avec sa propre griffe spécialement adaptée. Ça et même des individus dans une espèce varie dans sa morphologie.

«Le substrat de l'évolution, la seule raison pour laquelle nous avons aujourd'hui capturé des crevettes de toutes ces variétés, est dû aux variations individuelles», a déclaré la biologiste de Duke, Sheila Patek, qui étudie la grève de la crevette mante. Ainsi, si les chercheurs peuvent apporter leurs propres modifications à leur robot griffe, ils peuvent également s’inspirer de la diversité inhérente des crevettes au pistolet pour jouer avec des morphologies de griffes autres que celle imprimée en 3D à l’origine.

Cette diversité peut un jour voir un dispositif inspiré du pistolet aux crevettes utilisé dans une variété de domaines. Une approche consisterait à utiliser des plasmas générés par des griffes pour percer des rochers, comme le crustacé le fait à l'état sauvage pour s'installer dans un récif. Vous pouvez également utiliser le système pour la purification de l’eau en décomposant l’eau en ses composants, ce qui forme un peroxyde. «Ces peroxydes peuvent alors attaquer les contaminants organiques dans l’eau», explique Staack. «Si vous envisagez de nettoyer l'eau municipale ou les eaux usées, l'efficacité devient très importante.»

Et ainsi, la crevette au pistolet trouve encore quelques clous.


Plus de grandes histoires câblées