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EcoledoctoraleSMAER

SciencesMécaniques,Acoustique,Electronique,Robotique

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Tour45-46Bureau205-casecourrier270-4,placeJussieu-75252PARISCedex05':0144274071

[email protected] Sujetsdethèse_20

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Sujetdethèse-campagne2020

Laboratoire:Institutd’AlembertUMR7190Etablissementderattachement:SUetCNRSTitredelathèse:Lamécaniquedestoilesd’araignéesDirecteurdethèse:SébastienNeukirchMaildecontact:[email protected]éventuelle:ArnaudAntkowiakCollaborationsdanslecadredelathèse:ChristineRollard(MNHN)etFritzVollrath(Oxford)Rattachementàunprogramme:nonCotutelleenvisagée:nonSiouiavecquelleuniversité&quellaboratoire:Lesujetpeut-ilêtrepubliésurlesitewebdel’EDSMAER:oui

Résumé du sujet : Ce projet a pour but de mieux comprendre les propriétés physiques et mécaniques de certaines toiles d'araignées. Parmi les fils composants une toile géométrique, le fil de capture a la particularité d'accueillir de petites gouttes de glu liquide. Plus qu’un simple rôle d’adhésion, ces gouttes amélioreraient les propriétés mécaniques du fil de capture. Nous voulons comprendre les mécanismes de dissipation qui ont lieu au sein de la toile d’araignée, c’est à dire de quelle manière l’énergie cinétique incidente de la proie est dissipée lors d’une capture. Il semble qu’un mécanisme (que nous appelons ‘treuil élastocapillaire’) soit de grande importance pour les toiles. Nous avons déjà reproduit ce mécanisme avec des matériaux synthétiques, nous souhaitons maintenant étudier ce mécanisme dans les fils et toiles naturelles des araignées. SU : S. Neukirch & A. Antkowiak MNHN : C. Rollard U. Oxford : F. Vollrath

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Sujet développé La mécanique des toiles d’araignées

Thèse expérimentale SébastienNeukirchetPr.ArnaudAntkowiak(Institutd’AlembertUMR7190–UPMC-CNRS,ParisJussieu)ChristineRollard(InstitutdeSystématique,Evolution,Biodiversité«ISYEB»UMR7205-CNRS–MNHN–UPMC–EPHE-UA)Pr.FritzVollrath(ZoologyDept.OxfordUniversity,UK) Lefildecapturedestoilesd’araignéesLes araignées produisent différents types de fibres de soie, chacune ayant des propriétés chimiques,physiques,etmécaniquesadaptéesàlafonctionrecherchée:toile,cocon,câbled’ancrage,fildedétection,filetdecapture,etc.Certainsfilsdesoied’araignéeontunetenuemécaniqueexceptionnelle: laténacité(énergiedépenséepourromprelafibre)desmeilleuresfibresestdixfoiscelleduKevlar.Lagrandevariabilitédespropriétésdecesfilsdesoied’araignéefaitqu’ilssonttrèsétudiésdenos jours.Certainschercheursessayentd’encomprendrelastructureprotéinique(organiséeautourdefeuilletsbeta)afindeproduire,parbio-mimétisme,denouvelles fibressynthétiquesultra-performantes.D’autresutilisent legéniegénétiquepourproduirelasoied’araignéeengrandequantitécarl’araignéenepeutêtredomestiquée(aucontraireduveràsoie)àcauseducannibalismechezlaplupartdesespèces.Lesgènescodantlaprotéineontétéisolésetréimplantéssurplusieurshôtestelsquelalevure,certainesplantes,deschèvres,etplusrécemmentdesvers à soie [Teu12].Nousnous intéressonsdans ceprojet exclusivement au fil de capturedes araignéestisseusesdetoileécribellates[Bla09].C’estcefil,poséenspiraledanslatoile,quicapturelesproiesvolantes,voirFigure0.

Figure0:Unetoilegéométrique,composéede(i)filsdecadre,(ii)defilsradiaux,et(iii)defilspirauxoufils

decapture.Encadrérouge:unfildecapturedécorédegouttelettesliquides.Figuretiréede[Bla09].Mécanismetendeurdanslestoilesd’araignées

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Figure1:A:clichéd’unfild’araignéelorsd’unesuper-contraction[Vol89].B:filamentélastiques’enroulant

autourd’unegoutte(centimétrique)[Rom10].Lestoilesd’araignées,quiserventàcapturerlesproies,sonttisséesavecdesfibresd’unesoiespécialequiallie grande extensibilité et haute résistance à la rupture. Il semble de plus que les fils de capture sontnaturellement sous tensionetque si l’onen rapproche lesextrémités ils ne fléchissentpasmais restentrectilignes.Ilaétéproposéquelesgouttelettesliquides(colleeteau)présenteslelongdufilagissentcommeuntreuilpourtendre le fil,voir [Vol89]etFig.1A.Cemécanismeaideraitparexempleàdissiper l’énergiecinétiquedel’insectevenantheurterlatoile.C’estlamodélisation,lacaractérisationmécaniqueetphysique,ainsiquel’étudedelavariabilitézoologiquedecemécanismedetreuilquiconstituel’objetdeceprojet. ContexteLa problématique cadre est le comportement d’un film d’eau mouillant un cylindre. Les configurationspossiblessontmultiplesetdépendentdesparamètres(taillesrespectives,modulesélastiques,tensiondesurface,poids,...).Suruncylindrerigide,lefilmsemorcelleengouttes(instabilitédePlateau-Rayleigh),maissilecylindreestunfilamentélastiquesoupleleminimumd’énergiepeutêtretoutautre:leliquidesemetsousformesphériqueetlefilamentrestepiégéàl’intérieurdelagouttedevenue‘géante’.Leproblèmeestmaintenant celui de l’empaquetage d’un filament élastique dans une boîte souple, analogue à celui del’empaquetage de l’ADN dans les capsides virales. Nous avons déjà étudié ce phénomène dans le cas‘synthétique’(fild’élastomèreethuilesilicone)oùlefilesttotalementmouillé,oùlesextrémitésdufilamentsonttenuesentension(possiblementfaible)ettorsion(lefilamentnepeutlibérerletwist)danslecadrededeuxthèses(H.Elettro2015etP.Grandgeorge2018,voirpublicationsetbrevetsd’ingénierieinspirésdelabiologiedufild’araignée).Lebutestmaintenantderevenirausystèmenaturelpourconfirmerouinfirmerl’existence du phénomène de treuil dans les toiles (certains zoologistes le remettent en question) etcomprendresonintérêtévolutifpourl’araignée.Nouschercheronsparexempleàrépondreauxquestionssuivantes:quellessontlesconditionspourobtenirl’enroulementdufil?Quelleestl’influencedespropriétésinterfaciales et viscoélastiques des gouttes sur le phénomène ? Comment varie la taille des gouttes enfonction de l’humidité (cela suit il le modèle de [Edm92] ?) Comment est déterminée la distance deséparationdesgouttessurlafibre(instabilitédeRayleigh-Plateauoudistanceliéeauxgranulesprésentessurlesfils?)Variabilitéinter-espècesdelavisibilitédufildanslesgouttes?Sachantquelafibredesoiepeutêtremicroporeuse,quelleestladépendancedelavisibilitéparrapportàl'âgedelafibre?Présencedutreuildansunetoilefraichementtissée?La proximité géographique avec le MNHN dans lequel travaille Christine Rollard nous permet unecollaboration plus aisée. Pour l’instant, les expériences sont faites sur l’araignée Trichonephila inauratamadagascariensisqueC.Rollardélève.C.Rollardapporteàlacollaborationsonexpertisesurlabiologie,lesconditionsd’élevage(taillede lacagedemaintien,hygrométrie, température…)et lacompréhensiondescomportementsdetissagedecetteespèce.Testsmécaniquessurlefildecapture

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Lebutestdevisualisersurdesfibresd’araignées«in-vivo»lemécanismedetreuiletdemesurerlaréponsemécaniquedusystème.Lesobservationsexpérimentalesdel’enroulementdefibreauseindesgouttesdeglu seront conduites grâce à la plateforme d’imagerie submillimétrique rapide développée à l’Institut∂’Alembert.Noussouhaitonsparailleurseffectuerdestestsmécaniquessurdesfilsdecapturenaturelsdedifférentesespècesd’araignéestisseusesdetoile.Lefilseraétiréprogressivementet ladéformationseramesuréeàl’aidedefibresdeverreetdemicro-capteursàdéflexioncapacitifs.Lesmesuresserontfaitesenquasi-statiqueet endynamique (vitesse imposée).Nous souhaitons ainsimesurer lemoduled’Youngdumatériau(réponselinéaire)ainsiquesescaractéristiquesélastiquesnon-linéaires,maisaussisespropriétésviscoélastiques (dissipation d’énergie lors de la déformation) et élasto-plastiques (apparition d’unedéformationpermanentelorsd’unétirementtropfort).D’autrepart,étantdonnéquelescaractéristiquesmécaniquesdelasoied’araignéedépendentdesconditionssouslesquelleslafibreesttissée[Bou11,Vol00],nousvoulonsrépétercestestsàdifférentestempératures(lefildecapturesubissantunetransitionvitreusepourT>Tv)ainsiqu’àdifférenteshumiditésrelatives(Tvdépenddutauxl’humidité).Detellesmesuresontdéjàétéeffectuéesparlegrouped’Oxfordsurlesfilsradiaux[Gua12],maispassurlesfilsdecapture.De cettemanièrenous cherchonsà répondreauxquestions suivantes :Quelest l’apportmécaniquedesgouttelettesliquides?LemoduledeYoungdépend-ildel’humiditérelative?Quelestl’étirementmaximalavantrupture?Quelestletauxdedissipationd’énergie?Etenfincommentcespropriétéschangent-ellesentrelesespècesd’araignées?Lesquestionszoologiquesétant:desaraignéesàcomportementdifférentontellesdesfilsdecaptureàélasticitédifférentes?Quellessontlestoileslesplusperformantes(entermesdecapture, longévité,…)?Quelles sont lesdifférencesmécaniquesentre fils radiauxet filsdecapture?Energiedissipéelorsd’unimpact?Unpremiertestmécaniquein-situUnpremiertestpourconfirmerlaprésencedebobinagedanslesgouttesdécorantlefildecaptureetd’étirerlefilhorsduplandelatoile.Desexpériencespréliminairessemblentindiquerquelefilpeutêtreétirédeplusieurs fois sa longueur native (allongement supérieur à l’allongement de rupture) sans déformer lesélémentsvoisinsde latoile, indiquantunetrèsfaiblerésistanceà latraction.Cetestserarépétéavecuncapteurdeforce,etàlafoisenstatiqueetendynamique.

Figure2:Testmécaniquedetractioneffectuéin-situsurlefilspirald’unetoiled’araignéefraîchement

tissée:lefilpeutêtreallongédeplusieursfoissalongueurnative Références[Bla09]T.A.Blackledgeetal.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,USA,106(2009)5229–5234.[Teu12]F.Teuléetal.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,USA,109(2012)923–928.

PULL OUT OF

PLANE

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[Vol00]F.Vollrath.ReviewsinMolecularBiotechnology,74(2):67–83,2000.[Vol89]F.VollrathandD.T.Edmonds.Nature,340(1989)305–307.[Rom10]B.RomanandJ.Bico.JournalofPhysics:CondensedMatter,22(2010)493101.[Bou11]C.Boutryetal.PLoSONE,6(2011):e22467.[Edm92]D.T.EdmondsandF.Vollrath.Proc.Roy.Soc.B248(1992)145–148.[Gua12]J.Guanetal.Polymer,53(2012)2717–2726.

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