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Biomécanique des plantes: des modèles structure-fonctions, pourquoi faire?
Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, NancyThierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP, MontpellierBruno Moulia, INRA, UMR PIAF, Clermont-Ferrand
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
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
PLAN DE L’EXPOSE
Vent
Structure aérienne
Forces de trainée +Poids propre
Transmission des forcesà l’ensemble racines-sol
Bras de levier
Ancrage racinaire
+
Vibration (fréquences; amortissement)Contraintes & déformations
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
vent
Pivotementracinaire
gravitropisme
L’arbre : une structure vivante qui réagit!!!
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS LyonI - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Couple croissance primaire, croissance secondaire et différenciation de bois, et croissance racinaire pour permettre le dimensionnement mécanique, le maintien et le déploiement de l’architecture
gravité
Reduced Sway
Spring 2003
Moulia and Combes 2004
Coutand in Fournier et al.., 2005
• DimensionnemenDimensionnement (dans la gamme écologique de vent) = thigmomorphogenèse
• Contrôle actif du portContrôle actif du port (quand dimensionnement pris en défaut): tropismes
(Moulia et al. 2006)
Les processus biomécaniques : Un grand rôle dans le contrôle de la distribution de la croissance et dans les relations croissance qualité
Cou
tand
in F
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et a
l. 20
05
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Le bois matériau passif
structure (macro-micro)=> propriétés mécaniques
Les racines : fonction d’ancrage
Interactions racines-sol, architecture
Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes
Le bois matériau actif
Le houppier : structure aérienne
Répartition de la biomassePrise au ventTransmission des effortsAmortissement aérodynamique
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
Croissance et différenciation :Structure et matériau=f(t, état mécanique ….),
mécano- et gravi- perception
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
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
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
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)
Croissance et différenciation :Structure et matériau=f(t, état mécanique ….),
mécano- et gravi- perception
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
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 contexteécologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution)
Le houppier : structure aérienne
Répartition de la biomassePrise au ventTransmission des effortsAmortissement aérodynamique
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
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
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
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
ENJEUX :
Intégration des tropismes secondaires (gravi-, hélio-, auto-, etc.) dansdes 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 contexteécologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution)
Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes
Le bois matériau actif
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Evolution
Plasticité
Varaiabilité
mécanoperception
cellule organe axe plante population
seco
nd
es
jou
rsa
nn
ée
sd
éce
nn
ies
Différentiation et maturation cellulaire
ElongationAnisotropie
Différentiel DM
TropismesArcure
Contraintes
VibrationsAmortissement
Ruine
mill
én
aire
sI - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
II – le dispositif de recherche actuel en France
MONTPELLIER
CLERMONT-FERRAND
NANCY
BORDEAUX
INRA-EFPA
LERFoB: 3 chercheurs 1 post doc LERFoB: 3 chercheurs 1 post doc
Ecologie, Sylviculture, Croissance des Arbres et Qualité du bois, Bois de réaction, GravitropismeFacteurs de risque, stratégies de croissance
Echelles: Arbre Mature, Peuplement, communautes
INRA EA- EFPA, Univ Clermont II
PIAF-MECA: PIAF-MECA: 6 chercheurs, 1 postdoc, 5 doc6 chercheurs, 1 postdoc, 5 doc
Bio-Mécanique Intégrative de l’acclimatation mécanique: mécano et gravi-perception, thigmomorphogénèse, tropismes, modélisation biomécanique intégrative
Echelles: Celulle, tissus, organe, arbre dans son environnement
INRA EFPA- CIRAD-CNRS
AMAP: 3 chercheurs, 2 postdoc, 4 docAMAP: 3 chercheurs, 2 postdoc, 4 doc
Architecture, acclimatation, évolution, stabilité, modèles SF
Echelles: axe, plante, population
INRA EFPA- Univ BdxBIOGECO: 3 Chercheurs
Formation du bois, ancrage racinaireEchelles: cellule, tige, population
INRA EFPA
AGPF: 3 Chercheurs Formation des parois lignifiés, Bois de Tension PeuplierEchelles: Cellule-plante
CNRS – Paris Tech (X)
LadHyX , : 2 chercheurs, 2 doc LadHyX , : 2 chercheurs, 2 doc
Dynamique vibratoiresInteractions fluides solide
Biomimétique
Echelles: plante dans son environnement
INRA EA EFPAEphyse 2 chercheurs, 1 postdocEphyse 2 chercheurs, 1 postdocIntéractions physiques vent-forêt
Echelles: Arbre Mature, Peuplement
CNRS-Univ Montp II
LMGC: 5 chercheurs, 1 docLMGC: 5 chercheurs, 1 docContraintes, bois de réaction, rhéologieEchelles: micro-structure, cellule, axe
Bioméca INRA
Méca – bioméca CNRS
Bio INRA avec connections bioméca
Coll en cours avérée: ANR Woodiversity, Chène Roseau, thèse coencadrée, publi
INRA BV Univ Versailles
Equipe PAROIS- IJB : 3 Chercheurs Formation des parois Ires et IIre, At PeuplierEchelles: Cellule- plante
Numérisation de structures réelles
Codage sous un format MTG AMAP (Godin et al., 1999)
Fichier de commandes généré pour l’analyse MEF
Analyse des résultats et
visualisation
Debout1374
020000
4000060000
80000100000
120000
0 5 10 15 20 25
Déplacement (m)
Forc
e (
N)
Nord
Ouest
(d’après Fourcaud et al. 2003, Proc. PMA03)
Maillage de la structure en
éléments de poutres
Addition de la matrice de solCalcul MEF
Visualisation et analyse architecturale
III – Plantes virtuelles et biomécanique
Quelques exemples d’applications
III – Plantes virtuelles et biomécanique
Quelques exemples d’applications
Ancrage racinaire
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
Dupuy et al., 2005, 2007
Dynamique de l’arbre
Sellier et al., 2006, 2008Couplage croissance-biomécanique
Fourcaud et al., 2003
e)
CW
a)
b)
tree T9
tree T9
Gravimorphisme (première tentative de rétroaction méca-croissance)
Fourcaud et al., 1998
III – Plantes virtuelles et biomécaniqueCouplage biomécanique-croissance
OBJECTIF :
Nécessité d’intégration à l’échelle de l’arbre pour comprendre les interactions entre biomécanique et développement
Le bois matériau passif
structure (macro-micro)=> propriétés mécaniques
Les racines : fonction d’ancrage
Interactions racines-sol, architecture
Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes
Le bois matériau actif
Le houppier : structure aérienne
Répartition de la biomassePrise au ventTransmission des effortsAmortissement aérodynamique
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
III – Plantes virtuelles et biomécaniqueCouplage biomécanique-croissance
3D architecturephenotype
leaves
fruits
roots
C r
ese
rve
s
Sinks
Air sources
Root-soilinteractions
Wind, gravity
C
wood
buds
INPUTS
INV
ES
TM
EN
T
Me
riste
ma
tic a
ctiv
ity
Ontogeny
An
cho
rag
eF
orce
s
Timing/Duration
Bio
me
cha
nic
al r
esp
on
ses
Mechanical state(strains, stresses, sway frequencies,
damping, etc.)
Genetic control of phenology during ontogeny
Functional duration of organsUptake kinetics
RQ: Liens entre mécanoperception et croissance – allocation des RQ: Liens entre mécanoperception et croissance – allocation des assimilats à plusieurs échelles :assimilats à plusieurs échelles :
• via les forces de puits dans un schéma « classique »via les forces de puits dans un schéma « classique »
• via les mécanismes biophysiques et moléculaires qui via les mécanismes biophysiques et moléculaires qui déterminent forces de puits et transport déterminent forces de puits et transport
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
IV – Les messages à ramener à la maison
Nécessité d’intégrer la biomécanique dans des modèles multifonctions (interaction avec d’autres processus)
Nécessité de développer des modèle Structure-Fonctions pour la biomécanique (modèles à géométrie explicite de mécanique des structures couplés à des modèles biologiques)
Existence d’un réseau français de biomécanique structuré, dynamique et en extension
Importance de la biomécanique dans les processus de croissance (relations forme de croissance-biomécanique; durée de vie, i.e. volis et chablis)
PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon
Nécessité de développer des modèles de structure simplifiés pour application à plus grande échelle (relations formes-hétérogénéité bois-précontraintes dans le tronc, QB)