Les vibrisses de la trompe des éléphants révèlent une forme d’intelligence matérielle, à l’origine de leur sens du toucher exceptionnel

Une dextérité inattendue dévoilée par la science

Comment un animal aussi imposant qu’un éléphant peut-il saisir une chips de tortilla sans la briser ou attraper une cacahuète avec une précision chirurgicale ? Une nouvelle étude menée par une collaboration de recherche allemande interdisciplinaire, dirigée par le Département d’Intelligence Haptique de l’Institut Max Planck pour les Systèmes Intelligents (MPI-IS), vient de lever le voile sur ce mystère. Les chercheurs ont découvert que le secret de cette douce dextérité réside dans les propriétés matérielles inhabituelles des 1 000 moustaches qui recouvrent la trompe du pachyderme.

Ces travaux, récemment publiés dans la prestigieuse revue Science sous le titre « Functional gradients facilitate tactile sensing in elephant whiskers » (Les gradients fonctionnels facilitent la perception tactile dans les moustaches d’éléphant), mettent en lumière un mécanisme sensoriel fascinant. Ces moustaches offrent aux éléphants un sens du toucher extraordinaire qui compense deux handicaps majeurs : une peau très épaisse et une vue médiocre.

La recherche a été dirigée par le Dr Andrew K. Schulz, chercheur postdoctoral et boursier Alexander von Humboldt, et par la professeure Katherine J. Kuchenbecker du Département d’Intelligence Haptique au MPI-IS. Pour mener à bien ce projet, ils ont collaboré étroitement avec des neuroscientifiques de l’Université Humboldt de Berlin ainsi qu’avec des spécialistes des matériaux de l’Université de Stuttgart.

Une architecture interne complexe et résistante

Pour comprendre le fonctionnement de ces capteurs naturels, l’équipe interdisciplinaire a utilisé un arsenal de techniques issues de la biologie, de la science des matériaux et de l’ingénierie. Ils ont imagé et caractérisé des moustaches de 5 centimètres de long, descendant jusqu’à une échelle de 1 nanomètre, soit un milliardième de mètre. Le Dr Schulz et ses collègues ont examiné la géométrie, la porosité et la rigidité du matériau.

Les scientifiques s’attendaient initialement à ce que les moustaches d’éléphant ressemblent à celles, effilées, des souris et des rats : une section circulaire, une structure pleine et une rigidité uniforme. Or, la micro-tomographie (Micro-CT) a révélé une réalité bien différente. Les moustaches de l’éléphant sont épaisses et ressemblent à des lames, avec une section aplatie et une base creuse. Elles contiennent plusieurs longs canaux internes, une structure qui rappelle celle des cornes de mouton ou des sabots de cheval.

Cette architecture poreuse présente un avantage crucial : elle réduit la masse de la moustache tout en offrant une résistance aux chocs. Cela permet aux éléphants d’ingérer des centaines de kilogrammes de nourriture chaque jour sans craindre d’endommager ces précieux capteurs, qui ne repoussent jamais. Le Dr Schulz explique ses motivations initiales : « Je suis venu en Allemagne en tant qu’expert en biomécanique des éléphants désireux d’en apprendre davantage sur la robotique et la détection. Ma mentor, la professeure Kuchenbecker, est une experte en haptique et en robotique tactile, c’était donc un pont naturel pour nous de travailler ensemble sur la détection du toucher à travers le prisme des moustaches d’éléphant. »

Le mystère du gradient de rigidité

L’une des découvertes majeures de l’étude concerne la variation de rigidité le long de la moustache. Des tests de nano-indentation, réalisés avec un cube de diamant de la taille d’une cellule unique poussant cycliquement dans les parois de la moustache, ont été effectués sur des échantillons d’éléphants et de chats domestiques. Les résultats ont montré une transition nette : une base rigide, semblable à du plastique, qui évolue vers une pointe douce et caoutchouteuse. Cette pointe présente une propriété de résilience, ne pouvant être indentée de manière permanente.

Ce phénomène, appelé « gradient fonctionnel », distingue les éléphants et les chats des rongeurs comme les rats ou les souris, dont les moustaches sont uniformément rigides. Cette transition du dur au mou permet aux éléphants et aux chats de frôler des objets avec aisance et prévient la cassure des poils. L’équipe a également comparé ces moustaches aux poils corporels de l’animal. Le Dr Schulz précise : « Les poils sur la tête, le corps et la queue des éléphants d’Asie sont rigides de la base à la pointe, ce qui correspond à ce à quoi nous nous attendions lorsque nous avons découvert le surprenant gradient de rigidité des moustaches de la trompe de l’éléphant. »

Bien que cette découverte ait été passionnante, elle a d’abord laissé l’équipe perplexe. Les chercheurs ne savaient pas exactement comment ce changement de rigidité le long d’une moustache pouvait influencer la perception tactile. Il leur fallait trouver un moyen de tester physiquement cette sensation pour comprendre ce que l’animal ressent réellement.

La révélation grâce à une baguette imprimée en 3D

Pour élucider cette énigme, Andrew Schulz a collaboré avec ses collègues du MPI-IS pour créer un prototype physique. Ils ont imprimé en 3D une moustache à grande échelle, reproduisant fidèlement les propriétés observées : une base sombre et rigide, et une pointe transparente et souple. Ce « bâton-moustache » avait pour but d’aider les chercheurs à développer leur intuition sur les sensations perçues par la trompe.

Le déclic s’est produit quelques jours après que Schulz a confié l’objet à sa mentor. La professeure Katherine J. Kuchenbecker marchait dans les couloirs de l’institut, la baguette à la main, en frappant doucement les colonnes et les rampes. C’est alors qu’elle a compris. Elle raconte : « J’ai remarqué que taper sur la rampe avec différentes parties de la baguette à moustache donnait une sensation distincte — douce et délicate à la pointe, et nette et forte à la base. Je n’avais pas besoin de regarder pour savoir où le contact se produisait ; je pouvais juste le sentir. »

Cette expérience empirique a permis de formuler une hypothèse solide : le gradient de rigidité aide l’éléphant à localiser précisément le point de contact le long de chacune de ses 1 000 moustaches. Cette capacité est essentielle pour manipuler des objets avec soin.

L’intelligence incarnée confirmée par la simulation

Pour valider l’hypothèse née de l’expérience avec la baguette 3D, les chercheurs ont développé une boîte à outils de modélisation informatique. Ces simulations ont permis d’évaluer comment la géométrie unique, la porosité et les gradients de rigidité mesurés affectent la réponse d’une moustache au contact. Les résultats ont confirmé que la transition d’une base rigide à une pointe souple facilite grandement la localisation du point de contact, permettant à l’éléphant de réagir de manière appropriée, même avec des objets fragiles.

Le Dr Schulz s’enthousiasme de ces conclusions : « C’est assez incroyable ! Le gradient de rigidité fournit une carte permettant aux éléphants de détecter où le contact se produit le long de chaque moustache. Cette propriété les aide à savoir à quelle distance se trouve leur trompe par rapport à un objet… tout cela est intégré dans la géométrie, la porosité et la rigidité de la moustache. Les ingénieurs appellent ce phénomène naturel l’intelligence incarnée. »

Il est intéressant de noter que les moustaches des chats domestiques présentent ce même type de gradient de rigidité. Cette particularité offre un codage de contact unique sur toute la longueur du poil sensoriel, une prouesse de l’évolution qui inspire désormais les technologues.

Vers de nouvelles frontières en robotique et neurosciences

Cette découverte ouvre la voie à des applications concrètes en robotique et en systèmes intelligents. Le Dr Schulz et la professeure Kuchenbecker travaillent déjà à appliquer ces connaissances inspirées de la nature. « Des capteurs bio-inspirés dotés d’un gradient de rigidité artificiel semblable à celui de l’éléphant pourraient fournir des informations précises avec un faible coût de calcul, purement grâce à une conception matérielle intelligente », affirme Andrew Schulz.

L’impact de l’étude s’étend également aux neurosciences. Le Dr Lena V. Kaufmann, co-auteure de l’étude et experte en neurosciences à l’Université Humboldt de Berlin, souligne l’importance de ces travaux : « Nos résultats contribuent à notre compréhension de la perception tactile de ces animaux fascinants et ouvrent des opportunités passionnantes pour étudier plus avant la relation entre les propriétés matérielles des moustaches et le calcul neuronal. »

La professeure Kuchenbecker conclut en revenant sur cette aventure scientifique : « Je suis si fière de ce que nous avons pu comprendre en travaillant ensemble de manière interdisciplinaire. Andrew a réuni une équipe incroyable d’ingénieurs, de scientifiques des matériaux et de neuroscientifiques issus de cinq groupes de recherche différents et nous a conduits dans un voyage exaltant de trois ans pour découvrir les secrets derrière le doux sens du toucher du puissant éléphant. »

Selon la source : phys.org

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