Des caméras à haute vitesse révèlent comment les colibris peuvent tourner sur un dixième de seconde
Les colibris sont les pilotes de chasse du monde aviaire, Ils plongent et se faufilent à des vitesses allant jusqu’à 55 kilomètres par heure, puis font demi-tour pour planer dans les airs, les ailes battant frénétiquement, pendant qu’ils se ravitaillent en nectar. Aujourd’hui, grâce à des efforts herculéens, les chercheurs sont sur le point de comprendre ce qui rend ces animaux si agiles. Les nouveaux travaux permettent non seulement d’expliquer leur chorégraphie complexe, mais ils pourraient également déboucher sur des robots et des drones plus maniables.
Les biologistes ont chronométré la vitesse à laquelle les colibris peuvent voler et la durée de leur vol stationnaire, mais la maniabilité – tout ce va-et-vient – est « notoirement difficile à étudier », déclare Peter Wainwright, biologiste évolutionniste à l’Université de Californie (UC), Davis, qui n’a pas participé aux nouveaux travaux. C’est parce que « cela implique un ensemble compliqué de mouvements possibles, et c’est très spontané. »
Cela n’a pas arrêté Paolo Segre, alors étudiant diplômé à l’Université de Colombie-Britannique à Vancouver, au Canada. Il a décidé d’essayer en filmant des colibris dans la nature, qui sont moins inhibés par le vol que leurs homologues captifs. Pour se préparer, il a passé la majeure partie d’une année à perfectionner et à miniaturiser un système à quatre caméras, coordonné par ordinateur, pour filmer à grande vitesse.
Deux mois plus tard, Segre était au Pérou. Lui et son équipe ont gravi des montagnes et se sont enfoncés dans la jungle pour trouver le site parfait. Une fois le camp installé, ils ont construit une grande cage équipée du système de caméra à énergie solaire et ont commencé à tester leurs colibris, un par un. Les chercheurs ont filmé chaque oiseau pendant environ 30 minutes alors qu’il voltigeait entre les perchoirs et visitait une station d’alimentation en nectar à l’intérieur. Puis ils ont laissé partir l’oiseau et ont répété le processus. Segre et son équipe ont installé des stations dans trois autres endroits : les Andes équatoriennes et des camps de haute et de basse altitude au Costa Rica.
La collecte des données n’a pas été facile. Au Pérou, le site d’essai de l’équipe a été envahi par des fourmis militaires pendant deux jours d’affilée. Au Costa Rica, Segre et ses collègues ont dû traverser à gué des eaux infestées de crocodiles – de nuit – au milieu d’un orage. « Nous étions surtout terrifiés par les éclairs », se souvient Segre, aujourd’hui écophysiologiste à l’université de Stanford à Palo Alto, en Californie. Les scientifiques ont finalement réalisé des vidéos de 207 oiseaux appartenant à 25 espèces.
Une fois qu’ils ont eu les données, la collègue de laboratoire de Segre, la post-doc Roslyn Dakin, maintenant au Smithsonian Migratory Bird Center à Washington, a développé avec ses collègues un logiciel sophistiqué pour les analyser. Grâce aux quatre caméras, les chercheurs ont pu reconstruire le modèle de vol de chaque oiseau en trois dimensions, en mesurant le nombre d’accélérations, de décélérations, de virages, de roulements, d’envolées et de plongées, entre autres manœuvres. Chacun de ces mouvements simples se répétait et se combinait pour former des schémas prévisibles. « Les manœuvres plus complexes étaient constituées de séquences de manœuvres plus simples », explique Segre.
Lorsque les chercheurs ont comparé les modèles de vol entre les espèces, ils ont constaté que chacune avait tendance à s’en tenir aux manœuvres qu’elle maîtrisait le mieux (quelque chose de particulièrement vrai pour les virages). Mais ils ont été surpris de constater que les espèces de colibris plus lourdes étaient généralement meilleures pour accélérer et effectuer des virages serrés. Sur la base d’études sur les oiseaux et les chauves-souris, l’équipe s’attendait à ce que ce soit exactement le contraire. « Mais les espèces de colibris les plus grosses étaient en fait plus maniables », explique Dakin. La raison en est la suivante : Ces colibris plus corpulents avaient des muscles et des ailes relativement plus grands que les espèces plus petites, rapporte-t-elle avec ses collègues aujourd’hui dans Science.
Plusieurs autres tendances ont émergé. Les comportements de manœuvre qui différaient d’une espèce à l’autre se résumaient généralement à des traits structurels et physiologiques tels que la taille et la surface des ailes, le poids et la masse musculaire. Enfin, lorsque l’équipe a regroupé les oiseaux en fonction de leur mode de vol, elle a constaté que les groupes reflétaient l’arbre généalogique des colibris : Les espèces plus étroitement apparentées avaient des modèles de vol similaires.
Dakin dit que ce nouveau « cadre » de manœuvrabilité pourrait aider les roboticiens à comprendre comment peaufiner leurs volants pour qu’ils soient moins maladroits et fragiles. La capacité des colibris à générer des mouvements d’ailes rapides, ce qui favorise l’agilité, est particulièrement utile, explique Andrew Biewener, biomécanicien à l’université de Harvard. En conséquence, ajoute Robert Dudley, biologiste de l’organisme à l’UC Berkeley, les ingénieurs sont encore plus nombreux que les biologistes à étudier le vol des animaux.