Biomechanics and energetics of locomotion and load transport in ants
Biomécanique et énergétique de la locomotion et du transport de charge chez la fourmi
Résumé
Load transport is rarely observed in animals. In this respect, ants probably display the most outstanding performances: they are indeed able to carry loads weighing up to ten times their own mass over dozens of meters. During this thesis, we studied ant locomotion and how it was affected by load transport. We investigated three aspects of locomotion: leg kinematics, center of mass dynamics and energetic expenditure associated with locomotion. We especially looked into the effect of ant mass on load transport. Indeed, the polymorphism of the worker caste of the ant species we studied, Messor barbarus, is characterized by allometric relationships, which implies that locomotion and/or load transport could be different for workers of different sizes. We also examined the effect of different relative mass of the loads carried. We found that big ants have a different locomotor pattern than small ants, probably because they have to compensate for the imbalance caused by their relatively bigger head. During load transport, the locomotor pattern does not change much for ants of different sizes and loaded ants often have to cling to the substrate in order to avoid falling off. For unloaded ants, the dynamics of the ant center of mass is similar to what has already been reported for other insects in the literature: the ant locomotion is well described by a bouncing gait with no aerial phases. This gait is hardly altered for small items. For bigger items however, the locomotion becomes erratic and does not follow a periodic pattern across consecutive strides. Finally, we measured the metabolic rates of ants of different sizes when unloaded and when loaded with loads of varying mass. The changes of the metabolic rate with temperature, ant mass, activity and load transport is coherent with previous experiments on other ant species. From these experiments, we computed the rate of food intake for which ants increase the energetic content of the colony. The function maximizing this rate predicts that optimal foraging would occur if small ants carry small seeds and big ants, big seeds. The results of this work will help to better understand the division of labor and the foraging ecology of Messor barbarus and could give new insights for the design of biomimetic hexapodal robots.
Lors de cette thèse, nous avons étudié la locomotion chez la fourmi Messor barbarus et la manière dont celle-ci est affectée par la charge transportée. Ce travail recouvre trois aspects de la locomotion : la cinématique des pattes, la dynamique du centre de masse de la fourmi et la dépense énergétique associée à la locomotion. Nous avons porté une attention particulière à l'effet de la taille de la fourmi sur la locomotion ainsi qu'à l'effet de la masse relative de la charge transportée. Ce travail a montré que, lors de la locomotion non chargée, les petites et grosses fourmis n'ont pas le même patron locomoteur, les grosses fourmis s'ajustant au déséquilibre induit par leur tête proportionnellement plus grosse. Pour les fourmis chargées, le patron locomoteur varie peu avec la taille de la fourmi et celles-ci doivent régulièrement s'agripper au substrat avec leurs pattes arrières afin de ne pas basculer vers l'avant. Pour les fourmis non chargées, ou chargées avec de petites charges, la trajectoire du centre de masse lors de la locomotion correspond aux démarches observées chez d'autres insectes. Cependant, une charge de masse relative trop importante rend la locomotion erratique. Enfin, nous avons mesuré le taux métabolique pour différentes fourmis non chargées et chargées avec des charges de masses variables. Les variations du taux métabolique sont cohérentes avec les résultats de la littérature sur d'autres espèces de fourmis. Grâce à ces expériences, nous avons pu calculer le taux auquel les fourmis ramènent de l'énergie à la colonie en fonction de leur masse et de la masse de la graine transportée. Afin de maximiser ce taux, les petites fourmis ont intérêt à récolter de petites graines, alors que les plus grosses fourmis devraient transporter des graines plus lourdes. Les résultats obtenus durant cette thèse permettront de contribuer à une meilleure compréhension de la division du travail, de l'écologie et du comportement d'approvisionnement chez l'espèce Messor barbarus.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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