Enquête sur le taux

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12097 (2023) Citer cet article

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La ponction est un mécanisme vital pour la survie d’un large éventail d’organismes de tous les phylums, remplissant des fonctions biologiques telles que la capture, la défense et la reproduction des proies. Comprendre comment la forme de l'outil de perforation affecte ses performances fonctionnelles est crucial pour découvrir les mécanismes qui sous-tendent la diversité et l'évolution des systèmes basés sur la perforation. Cependant, ces relations forme-fonction sont souvent compliquées par la nature dynamique des systèmes vivants. Les systèmes de ponction fonctionnent notamment sur une large plage de vitesses pour pénétrer dans les tissus biologiques. Les études actuelles sur la biomécanique de la perforation manquent de caractérisation systématique de l'interaction complexe, médiée par la vitesse, entre l'outil et le matériau sur cette plage dynamique. Pour combler ce manque de connaissances, nous établissons un cadre expérimental hautement contrôlé pour la perforation dynamique afin d'étudier la relation entre les performances de perforation (caractérisées par la profondeur de la perforation) et la netteté de l'outil (caractérisée par l'angle de cuspide) sur une large gamme de bio- vitesses de perforation pertinentes (de quasi-statique à \(\sim\) 50 m/s). Nos résultats montrent que la sensibilité des performances de perforation aux variations de netteté de l’outil diminue à des vitesses de perforation plus élevées. Cette tendance est probablement due aux effets viscoélastiques et inertiels liés à la réaction des matériaux aux charges dynamiques. La relation forme-fonction dépendant de la vitesse a des implications biologiques importantes : alors que les organismes de perforation passifs/à faible vitesse dépendent probablement fortement d'outils de perforation tranchants pour réussir à pénétrer et maintenir leurs fonctionnalités, les systèmes de perforation à vitesse plus élevée peuvent permettre une plus grande variabilité dans la forme des outils de perforation en raison aux performances de perforation relativement insensibles à la géométrie, permettant une plus grande adaptabilité au cours du processus évolutif à d'autres facteurs mécaniques.

Identifier l'influence de la morphologie sur les performances fonctionnelles est essentiel pour comprendre l'évolution des systèmes biomécaniques. Cependant, la relation entre forme et fonction est souvent compliquée par les caractéristiques inhérentes du système ainsi que par des facteurs externes qui peuvent exercer une forte influence sur les performances1. La complexité inhérente des systèmes biomécaniques en plusieurs parties conduit souvent à des relations non linéaires entre forme et fonction2,3, tandis que des facteurs externes tels que la température peuvent fortement altérer les performances des systèmes physiologiques4,5,6. La dynamique du système est un facteur pouvant exercer une forte influence sur les relations forme-fonction dans un large éventail de domaines biologiques. Un exemple de ceci ayant des conséquences considérables est que la vitesse à laquelle un matériau biologique est chargé (taux de déformation) peut influencer sa réponse à ladite charge, les matériaux devenant souvent plus rigides ou plus résistants à des vitesses de déformation plus élevées1,11,12,13. Cette dépendance à la vitesse de déformation des biomatériaux peut avoir un effet important sur leur résistance aux dommages, ce qui pourrait à son tour affecter considérablement les performances d'un système. Ici, nous explorons comment la vitesse de déformation modifie potentiellement la relation forme-fonction pour un type spécifique de dommage : la perforation biologique.

Les systèmes de ponction biologique semblent, à première vue, montrer une relation directe entre morphologie et performance fonctionnelle14. Il a été démontré que l’acuité des outils modifie considérablement les performances de perforation chez divers organismes15,16,17,18. Cependant, pour la plupart, ces études n'ont testé l'effet de la netteté qu'à des vitesses quasi-statiques/faibles (\(< 1{\mathrm{m/s}}\)), alors que des événements de perforation biologique peuvent survenir plus de 60 m/s ou plus1,19,20,21 (Fig. 1). Les travaux sur les événements de perforation dynamiques (> 1 m/s) ont montré qu'à des vitesses élevées, une rigidité par déformation se produit dans les matériaux cibles, en particulier lorsque le matériau est mou et déformable22,23,24. Étant donné le changement de réponse du matériau à des taux de charge élevés, la relation entre la forme de l'outil et les performances de perforation change-t-elle à des vitesses de perforation plus élevées ?