D15 Suivi de trajectoire

Topique

La trajectoire de vol d'un insecte en liberté peut être enregistrée intégralement, depuis la précision d'une manœuvre rapide se déroulant sur quelques millimètres jusqu'à l'itinéraire d'une migration s'étendant sur des kilomètres : c'est le principe du suivi des trajectoires de vol, qui permet de couvrir des échelles de taille radicalement différentes grâce à une approche unique et générale.

Pour couvrir ces échelles de vol très diverses, les systèmes modernes combinent trois types d'instruments, chacun conçu pour une échelle spécifique : des caméras stéréoscopiques haute vitesse pour les trajectoires de vol à l'échelle d'une pièce, des radars entomologiques pour les trajectoires de vol à l'échelle d'un paysage, et des radars harmoniques – de minuscules balises qui réfléchissent un signal radar – pour suivre un insecte individuel où qu'il aille.

Chacun de ces instruments produit des positions de vol accompagnées d'un certain bruit de mesure. Le filtre de Kalman est chargé de combiner ces positions mesurées avec le bruit et un modèle dynamique du mouvement supposé de l'insecte. Le gain du filtre détermine, à chaque instant, la fiabilité relative des mesures et des prédictions du modèle, afin de trouver le point d'équilibre qui fournit l'estimation la plus fiable de la trajectoire de vol réelle. Une fois reconstituée avec cette précision, la trajectoire de vol révèle, de par sa forme même, le mécanisme de contrôle utilisé par l'insecte à chaque instant : la courbure de la trajectoire constitue la signature cinématique de ce mécanisme. Ainsi, une manœuvre d'évitement face à un prédateur présente une courbure très prononcée, un vol de recherche de nourriture une courbure modérée, et un vol migratoire une courbe quasi rectiligne.

Complémentaire à la courbure, un indice de tortuosité de la trajectoire de vol permet de distinguer deux stratégies de vol distinctes : une valeur proche de un indique un vol dirigé, où l'insecte se déplace assez directement vers un point précis, tandis qu'une valeur nettement supérieure à un indique une exploration aléatoire, où l'insecte parcourt une distance considérable sans progresser dans une direction précise.

Lorsque cette exploration aléatoire suit une distribution des longueurs de vol appelée distribution de Lévy — avec de nombreux vols courts entrecoupés de vols occasionnels beaucoup plus longs —, la trajectoire de vol de l'insecte devient particulièrement efficace pour trouver des ressources rares et irrégulièrement réparties dans l'espace. Les modèles théoriques de recherche de nourriture prévoient qu'il existe une forme particulière de cette distribution qui est optimale à cet effet, avec des vols qui ne sont ni trop courts ni trop longs, mais plutôt un équilibre entre les deux extrêmes.

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