Transcript Biomécanique des plantes: des modèles structure-fonctions, pourquoi faire? Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, Nancy Thierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP, Montpellier Bruno Moulia, INRA, UMR.

Biomécanique des plantes:
des modèles structure-fonctions, pourquoi faire?
Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, Nancy
Thierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP, Montpellier
Bruno Moulia, INRA, UMR PIAF, Clermont-Ferrand
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
PLAN DE L’EXPOSE
I - La biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
II - Le dispositif de recherche actuel en France
III- Plantes virtuelles et biomécanique
IV- Les messages à ramener à la maison
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
L’arbre : une structure soumise à des forces extérieures
Structure aérienne
+
Forces de trainée +
Poids propre
Vent
Vibration (fréquences; amortissement)
Contraintes & déformations
Transmission des forces
à l’ensemble racines-sol
Bras de levier
Ancrage racinaire
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I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
L’arbre : une structure vivante qui réagit!!!
Coutand in Fournier et al. 2005
Couple croissance primaire, croissance secondaire et différenciation de bois, et croissance racinaire
(Moulia et al. 2006)
pour permettre le dimensionnement mécanique, le maintien et le déploiement de l’architecture
• Dimensionnement
(dans la gamme
écologique de vent) =
thigmomorphogenèse
• Contrôle actif du port
(quand
dimensionnement pris
en défaut): tropismes
gravité
Pivotement
racinaire
gravitropisme
vent
Les processus biomécaniques : Un grand rôle dans le contrôle de la distribution de la
croissance et dans les relations croissance qualité
Co
uta
nd
in
Fo
urn
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et
al..,
20
05
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Croissance et différenciation :
Le houppier : structure aérienne
Structure et matériau=f(t, état mécanique ….),
mécano- et gravi- perception
Répartition de la biomasse
Prise au vent
Transmission des efforts
Amortissement aérodynamique
Le bois matériau actif
Déformation de maturation
=> tropismes secondaires
=> précontraintes
Le bois matériau passif
structure (macro-micro)
=> propriétés mécaniques
Les racines : fonction d’ancrage
Interactions racines-sol, architecture
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I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
QUESTIONS :
Caractériser et modéliser les lois de comportement du bois
Comprendre les relations entre la structure du bois (micro-macro) et
ses propriétés mécaniques
ENJEUX :
Paramétrage des modèles mécaniques pour analyses à différentes échelles
Améliorer la qualité du bois formé dans l’arbre
Le bois matériau passif
structure (macro-micro)
=> propriétés mécaniques
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I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Croissance et différenciation :
Structure et matériau=f(t, état mécanique ….),
mécano- et gravi- perception
QUESTIONS :
Comprendre les mécanismes de mécanoperception et de contrôle de la
croissance et de sa distribution
Variables perçues ? déformation
Réponse de croissance et intégration dans l’arbre en fonction du
« climat mécanique » (vent)
ENJEUX :
Prise en compte des couplages bio-mécaniques entre croissance II, IIre, racinaire, dans les modèles
(gain en robustesse)
Acclimatation des arbres au vents dans un contexte de changements climatiques ( tempêtes plus
fréquentes à même vent constant annuel)
Conséquences sur la forme des fûts et la qualité des bois (flexure wood)
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Le houppier : structure aérienne
Répartition de la biomasse
Prise au vent
Transmission des efforts
Amortissement aérodynamique
QUESTIONS :
Influence de la structure aérienne sur la répartition des forces dans
l’arbre;
Impact de la structure aérienne sur les comportement aérodynamique
de l’arbre (fréquences propres, amortissement de structure)
ENJEUX :
Relations entre sylviculture, QB et volis
Mieux appréhender la diversité des formes en relation avec le contexte
écologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution)
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I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
QUESTIONS :
Influence de l’architecture racinaire sur l’ancrage de l’arbre;
ENJEUX :
Etudes sur les risques de chablis
Mieux appréhender les processus d’adaptation de la croissance
racinaire aux contraintes mécaniques (plasticité architecturale)
Les racines : fonction d’ancrage
Interactions racines-sol, architecture
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I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
QUESTIONS :
Comprendre les mécanismes de déformation de maturation à
différentes échelles
Mécanoperception et différentiation cellulaire
Comment les contraintes de maturation se mettent en place
Relations forme-contraintes de croissance
Le bois matériau actif
Déformation de maturation
=> tropismes secondaires
=> précontraintes
ENJEUX :
Intégration des tropismes secondaires (gravi-, hélio-, auto-, etc.) dans
des modèles de biomécanique aux échelles axe, arbre, peuplement.
Conséquences sur la qualité du bois (bois de réaction, anisotropie de la
croissance, précontraintes et fentes d’abattage, forme des tiges, etc..)
Mieux appréhender la diversité des bois en relation avec le contexte
écologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution)
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secondes
Tropismes
Arcure
Contraintes
Différentiation et
maturation cellulaire
Elongation
Anisotropie
Différentiel DM
Varaiabilité
jours
années
Plasticité
décennies
Evolution
millénaires
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Vibrations
Amortissement
Ruine
mécanoperception
cellule
organe
axe
plante
population
CNRS – Paris Tech (X)
Bioméca INRA
II – le dispositif de recherche actuel en France
Méca – bioméca CNRS
LadHyX , : 2 chercheurs, 2 doc
Dynamique vibratoires
Interactions fluides solide
Biomimétique
Bio INRA avec connections
bioméca
Coll en cours avérée: ANR
Woodiversity, Chène Roseau, thèse
coencadrée, publi
LERFoB: 3 chercheurs 1 post doc
Ecologie, Sylviculture, Croissance des Arbres
et Qualité du bois, Bois de réaction,
Gravitropisme
Facteurs de risque, stratégies de croissance
Echelles: plante dans son environnement
Echelles: Arbre Mature, Peuplement,
communautes
INRA BV Univ Versailles
NANCY
Equipe PAROIS- IJB : 3 Chercheurs
Formation des parois Ires et IIre, At
Peuplier
Echelles: Cellule- plante
INRA EA- EFPA, Univ Clermont II
PIAF-MECA:
6 chercheurs, 1 postdoc, 5 doc
INRA EFPA
AGPF: 3 Chercheurs
Formation des parois lignifiés, Bois de Tension
Peuplier
Echelles: Cellule-plante
CLERMONTFERRAND
INRA EA EFPA
Ephyse 2 chercheurs, 1 postdoc
Intéractions physiques vent-forêt
Echelles: Arbre Mature, Peuplement
INRA-EFPA
Bio-Mécanique Intégrative de
l’acclimatation mécanique:
mécano et gravi-perception,
thigmomorphogénèse, tropismes,
modélisation biomécanique intégrative
Echelles: Celulle, tissus, organe, arbre dans
son environnement
BORDEAUX
INRA EFPA- CIRAD-CNRS
AMAP: 3 chercheurs, 2 postdoc, 4 doc
INRA EFPA- Univ Bdx
BIOGECO: 3 Chercheurs
Formation du bois, ancrage racinaire
Echelles: cellule, tige, population
MONTPELLIER
CNRS-Univ Montp II
LMGC: 5 chercheurs, 1 doc
Contraintes, bois de réaction,
rhéologie
Echelles: micro-structure, cellule, axe
Architecture, acclimatation, évolution,
stabilité, modèles SF
Echelles: axe, plante, population
III – Plantes virtuelles et biomécanique
Quelques exemples d’applications
Visualisation et
analyse architecturale
Numérisation de
structures réelles
Codage sous un
format MTG AMAP
(Godin et al., 1999)
Force (N)
Debout1374
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
Maillage de la
structure en
éléments de poutres
Nord
Ouest
0
5
10
15
20
25
Déplacem ent (m )
Analyse des
résultats et
visualisation
Calcul MEF
Fichier de
commandes généré
pour l’analyse MEF
Addition de la
matrice de sol
(d’après Fourcaud et al. 2003, Proc. PMA03)
III – Plantes virtuelles et biomécanique
Quelques exemples d’applications
Dynamique de l’arbre
Ancrage racinaire
Dupuy et al., 2005, 2007
Couplage croissance-biomécanique
a)
Sellier et al., 2006, 2008
e)
Gravimorphisme
(première tentative de rétroaction méca-croissance)
b)
tree
T9
tree
T9
CW
Fourcaud et al., 2003
Fourcaud et al., 1998
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III – Plantes virtuelles et biomécanique
Couplage biomécanique-croissance
OBJECTIF :
Nécessité d’intégration à l’échelle de l’arbre pour comprendre les
interactions entre biomécanique et développement
Le houppier : structure aérienne
Le bois matériau passif
Répartition de la biomasse
Prise au vent
Transmission des efforts
Amortissement aérodynamique
structure (macro-micro)
=> propriétés mécaniques
Le bois matériau actif
Déformation de maturation
=> tropismes secondaires
=> précontraintes
Les racines : fonction d’ancrage
Interactions racines-sol, architecture
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III – Plantes virtuelles et biomécanique
Couplage biomécanique-croissance
Mechanical state
(strains, stresses,
Wind, gravity
Ontogeny
C
C reserves
leaves
INVESTMENT
Meristematic activity
Biomechanical responses
Air sources
buds
wood
INPUTS
fruits
roots
3D architecture
phenotype
Sinks
Anchorage
Timing/Duration
Genetic control of phenology
during ontogeny
Functional duration of organs
Uptake kinetics
Forces
sway frequencies,
damping, etc.)
RQ: Liens entre mécanoperception et croissance – allocation des
assimilats à plusieurs échelles :
• via les forces de puits dans un schéma « classique »
Root-soil
interactions
• via les mécanismes biophysiques et moléculaires qui
déterminent forces de puits et transport
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IV – Les messages à ramener à la maison
Importance de la biomécanique dans les processus de croissance (relations
forme de croissance-biomécanique; durée de vie, i.e. volis et chablis)
Nécessité de développer des modèle Structure-Fonctions pour la biomécanique
(modèles à géométrie explicite de mécanique des structures couplés à des
modèles biologiques)
Nécessité d’intégrer la biomécanique dans des modèles multifonctions
(interaction avec d’autres processus)
Nécessité de développer des modèles de structure simplifiés pour application à
plus grande échelle (relations formes-hétérogénéité bois-précontraintes dans le
tronc, QB)
Existence d’un réseau français de biomécanique structuré, dynamique et en
extension
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