Modéliser la structure et les mouvements dans les fluides
Les flagelles (longs) et les cils (courts) sont des organites cellulaires souples, dont les déformations périodiques dans un fluide engendrent des forces propulsives qui permettent les déplacements. Le projet FLAGELLA («Fluid mechanics of flagellar propulsion»), financé par l'UE, a appliqué une approche pluridisciplinaire pour élucider les interactions complexes entre la structure et le fluide dans le cas de systèmes biologiques. Les chercheurs ont travaillé à des modèles capables de représenter la propulsion par un flagelle, la nage ondulatoire et les architectures arborescentes. Les chercheurs de FLAGELLA ont mis au point un modèle théorique de la propulsion par flagelle en partant de l'hypothèse que celui-ci (comme les muscles) ne récupère pas d'énergie du fluide qui l'environne. Ils ont ainsi pu calculer la cinématique et les formes optimales, sans utiliser de contraintes arbitraires. Les scientifiques ont aussi défini un modèle analytique continu pour représenter l'architecture en arbre du squelette, à l'aide d'une structure auto-similaire qui tient compte de la résistance à la traînée (une structure auto-similaire conserve le même aspect quelle que soit l'échelle à laquelle on l'observe, comme les branches petites ou grandes d'un arbre). Des simulations numériques ont confirmé la fidélité du modèle. Les chercheurs ont utilisé un algorithme évolutif pour représenter la nage ondulatoire et évaluer les effets sur la forme de l'organisme. Cette nage correspond à un mouvement rythmique ressemblant à une vague et utilisé par la plupart des vertébrés aquatiques. Cette étude est particulièrement importante en vue de la fabrication de micro-robots capables de se déplacer dans les divers milieux viscoélastiques du corps humain. Les chercheurs ont aussi étudié les relations entre la forme et les contraintes hydrodynamiques, évaluant la structure optimale pour la nage ondulatoire. Ils ont représenté les mouvements par des lois de courbure périodique arbitraire, et comparé les résultats numériques avec des animaux différant par leur section elliptique. Les chercheurs ont tenu compte de facteurs opposés comme une nage plus rapide et un coût énergétique inférieur, ainsi que de tous les compromis entre les deux. Ils ont comparé avec des animaux réels les résultats numériques obtenus pour une nage rapide ou une nage économique, et constaté que l'évolution semble favoriser la réduction des coûts en énergie. Les modèles mis au point durant le projet pourraient améliorer notablement la compétitivité de l'Europe, et trouver de nombreuses applications dans les soins et les nanosciences. Citons notamment les infections bactériennes, la mobilité des spermatozoïdes et la conception de micro-robots capables de conduire des opérations avec le minimum d'intrusion ou d'administrer des médicaments sur site.
