L'humanité s'est toujours tournée vers la nature pour améliorer ses conditions de vie et trouver des solutions à ses problèmes. Dès l'Antiquité, l'être humain a commencé à élaborer des théories basées sur des observations faites dans le milieu naturel pour faire avancer la recherche et les sciences. Le terme « biomimicry », ou biomimétisme en français, a été inventé par l'ingénieur, inventeur et scientifique Otto Schmitt dans les années 60. Cette discipline consiste à observer et à reproduire des propriétés essentielles d'un ou plusieurs systèmes biologiques pour concevoir des formes, des matériaux et des procédés à la fois innovants et durables.
Même Léonard de Vinci s'est inspiré de la nature pour ses inventions. Dans les années 60, des avancées scientifiques et techniques ont ouvert un peu plus la voie au biomimétisme. L'observation de la faune et la flore pousse les hommes à s'y intéresser davantage pour appliquer leurs principes naturels à des inventions humaines. En 1997, la scientifique américaine Janine Benyus proposait d'observer le génie de la nature pour l'imiter ensuite dans la conception d'objets et de systèmes. Pour Janine Benyus, « la nature a 3,8 milliards d'années de Recherche & Développement d'avance sur nous ». Il n'est alors plus question d'exploiter la nature, mais bel et bien de l'imiter.
Le Bulbe d'Étrave : Une Forme Optimisée Inspirée par la Nature ?
À l'avant des cargos ou des navires de guerre, on peut remarquer sur la coque une avancée en forme de boule, souvent appelée à tort « pare-choc ». Cette proéminence est en réalité un bulbe d'étrave, un dispositif hydrodynamique qui déplace la première crête de vague vers l'avant. Ce faisant, il augmente virtuellement la longueur à la flottaison du navire, et donc sa vitesse maximale théorique, également appelée vitesse limite de carène. Le bulbe d'étrave fonctionne en créant une vague à l'avant du bateau qui court tout le long de la coque. C'est un principe observé sur la plupart des gros bateaux. Les systèmes à bulbe sont donc un compromis : une étrave fine en lame à la surface et au-dessus, et une étrave ronde en dessous.
Une autre sorte de renflement composé d'une tôle de forte épaisseur est également appelée à tort bulbe. Le bulbe d'étrave est beaucoup moins élancé que le navire dans son ensemble. La longueur des sections horizontales du bulbe est seulement de l'ordre de 2 à 3 fois plus importante que la largeur de ces sections. Pour que cela fonctionne, il faut que le bulbe soit immergé en permanence, excluant ainsi les voiliers qui sortent leur étrave de l'eau trop souvent. Il est également essentiel que la vitesse ne dépasse pas la vitesse de carène, donc pas de carènes à semi-déplacement et de carènes planantes. Même lège, cela fonctionne encore un peu par l'allongement de flottaison procuré par la proéminence du bulbe. Une évolution du bulbe est le rostre, inventé par Pentocarène, que l'on peut voir sur les dernières vedettes de la SNSM par exemple. Le principe reste le même aux basses vitesses, mais au voisinage des vitesses plus élevées, le bulbe, de par ses formes anguleuses, se comporte comme une seconde étrave. Le "Normandie" n'était pas le premier navire à utiliser cette innovation, présente de nos jours de façon quasiment systématique sur tous les gros bâtiments.
Contraintes et Efficacité du Bulbe d'Étrave
Un bulbe d'étrave implique des contraintes de construction, car il est difficile de le concevoir avec des surfaces développables, plus faciles à former. Sur de petits bateaux, la surface de dérive et le volume immergé changent aussi considérablement avec l'ajout d'un bulbe, le rendant rarement applicable aux bateaux de petites dimensions. L'efficacité du bulbe peut être visuellement constatée en observant la vague d'étrave à vitesse constante, aux différents régimes moteurs. L'intérêt est de voir si ce régime correspond au moment où le creux de la vague d'étrave atteint l'arrête ou le milieu de la proue.
Le coefficient 2,4 est une moyenne ; il peut varier de 2 à 2,7 selon la forme de la carène arrière et sa capacité à récupérer une partie de l'énergie de la vague d'étrave. En effet, dans le cas d'un paraboloïde elliptique, en se basant sur la théorie classique de Wagner 2D et 3D, Scolan et Korobkin (2001) ont montré qu'une approche basée sur la méthode des tranches conduisait à une surestimation de l'effort d'impact hydrodynamique, par rapport à l'approche tridimensionnelle, pouvant atteindre 30 % pour la plage d'élancement.
Le Bec du Toucan : Un Modèle de Légèreté et de Résistance
La structure du bec du toucan nous enseigne les principes de conception des matériaux composites pour une résistance et une rigidité légères. Malgré sa grande taille, représentant un tiers de la longueur de l'oiseau, et sa force considérable, le bec du toucan ne constitue qu'un vingtième de la masse de l'oiseau.
La stratégie adoptée par la nature est fascinante : la coque extérieure solide du bec enserre une structure en forme de mousse à cellules fermées, composée d'entretoises qui, avec de fines membranes, renferment des espaces d'air de forme variable. La couche de coque solide est constituée de fines plaques de protéine de kératine de forme hexagonale qui se chevauchent et sont maintenues ensemble par une colle organique. Le support structurel interne à cellules fermées est composé de fibres de kératine avec une plus grande minéralisation, par le calcium et d'autres sels, que dans les membranes ou les couches de coque solide pour augmenter la dureté.
La structure à cellules fermées offre une capacité d'absorption d'énergie et une résistance à la compression plus complexes que la déformation en flexion typique des structures à cellules ouvertes. La déformation en rotation des parois cellulaires, l'étirement des membranes et la pression de gaz interne contribuent tous à ces caractéristiques. Le bec d'un toucan Toco (Ramphastos toco) s'est avéré être un composite sandwich avec un extérieur de kératine et un réseau fibreux de cellules fermées constituées de protéines riches en calcium. La couche de kératine est constituée d'écailles hexagonales superposées (50 µm de diamètre et 1 µm d'épaisseur) collées entre elles. Sa résistance à la traction est d'environ 50 MPa et son module d'Young est de 1.4 GPa. Les mesures de dureté par micro et nanoindentation corroborent ces valeurs. La coque kératinique présente une sensibilité à la vitesse de déformation avec une transition du glissement des écailles dû au relargage de la colle organique, à faible vitesse de déformation (5 · 10-5/s) à la fracture des écailles à un taux de déformation plus élevé (1.5 · 10-3/s).
La mousse à cellules fermées est composée de fibres ayant un module d'Young deux fois plus élevé que les enveloppes kératiniques du fait de leur teneur plus élevée en calcium. La réponse en compression de la mousse a été modélisée par les équations constitutives de Gibson-Ashby pour la mousse à cellules ouvertes et fermées. Il existe un effet synergique entre la mousse et la coque mis en évidence par des expériences et des analyses établissant les réponses séparées de la coque, de la mousse et de la mousse + coque. L'analyse de stabilité développée par Karam et Gibson, en supposant une section transversale circulaire idéalisée, a été appliquée au bec. Elle montre que la mousse stabilise la déformation du bec en fournissant une base élastique qui augmente sa charge de Brazier et de flambement sous une charge de flexion.
Le Biomimétisme Marin : Une Source Inépuisable d'Innovations
Les océans, qui couvrent 70% de la surface du globe mais abritent seulement 13% des espèces connues, recèlent une biodiversité encore très méconnue. Et pourtant, la vie marine regorge d'ingéniosité pour faire face aux défis qu'elle rencontre. Les océans représentent un univers riche en contraintes et en défis : obscurité, pression, hydrodynamisme, respiration… Pour se développer, la vie océanique a innové et développé de nombreuses solutions qui peuvent nous être très utiles pour répondre aux défis que nous rencontrons.
Conférence de Bill François : Les génies des mers
Les êtres vivants qui viennent en premier à l'esprit lorsque l'on évoque l'océan sont des poissons, des mammifères marins, des mollusques… En réalité, une grande partie des êtres vivants qui peuplent l'océan sont invisibles à l'œil nu : 98 % de la biomasse des océans est constituée de plancton. Le plancton est un terme générique qui désigne les organismes généralement unicellulaires qui vivent en suspension dans l'eau des océans. Ces petits êtres vivants sont à la base de la vie sur terre puisqu'ils contribuent à hauteur de 50% à la production d'oxygène dans le monde. En effet, une grande partie du plancton des océans est constituée de plancton végétal : c'est ce qu'on appelle le phytoplancton. Il transforme le CO2 dissous dans l'océan en oxygène par photosynthèse et contribue ainsi grandement à la vie telle que nous la connaissons. Le CO2 de l'atmosphère est ainsi capté par le phytoplancton puis déposé sur les fonds marins lorsque ce dernier meurt. Il fait ainsi de l'océan un puits de carbone qui n'est alors pas rejeté dans l'atmosphère.
Les Diatomées et la Fabrication de Verre à Température Ambiante
Parmi les millions d'espèces de plancton existantes, une division particulière tire son épingle du jeu pour le biomimétisme : c'est la diatomée. Les diatomées sont des algues jaunes ou brunes de l'ordre du dixième de millimètre. On les trouve dans les océans où elles représentent le principal constituant du plancton. Leur capacité à produire du verre dans l'océan est une caractéristique unique parmi les êtres vivants unicellulaires. Comment une si petite algue est-elle capable de former du verre dans l'océan alors que les hauts fourneaux, à partir desquels nous en produisons traditionnellement, nécessitent des températures de plus de 1000°C ?
Son secret réside dans ce qu'on appelle le procédé "sol-gel" (pour solution-gélification). Ce procédé, qui s'opère dans les océans, consiste à prendre une solution de silice dissoute (comme l'eau des océans pour les diatomées) pour ensuite la fixer progressivement couche par couche et ainsi former des cristaux de silice (donc de verre). Cela ne permet pas en général de former des matériaux volumiques, mais plutôt des poudres qui servent à l'élaboration de revêtements et films fonctionnels. En plus des avantages en termes énergétiques que procure cette fabrication de verre à température ambiante, chaque étape du procédé de synthèse peut être finement contrôlée, ce qui permet de maîtriser précisément la forme, la structure et donc les propriétés du matériau. On distingue ainsi de nombreuses applications, des revêtements anti-reflets aux films autonettoyants comme ceux que l'on retrouve sur le toit du dôme du Théâtre national de Pékin.
Dans le domaine médical, ces êtres monocellulaires océaniques sont aussi une source d'inspiration pour innover. En effet, l'encapsulation opérée par le frustule au fond des océans peut inspirer des solutions pour le transport de substances organiques dans le corps humain sans qu'elles soient détruites par le système immunitaire de l'homme. Ainsi, en contrôlant la porosité de la capsule en silice, une distribution précise du composé qu'elle renferme peut être opérée et les interactions avec l'environnement dans lequel elle évolue peuvent être modulées à souhait. Une des applications possibles est la lutte contre le cancer du pancréas : avec ces capsules de silice la recherche tend à introduire des nanomédicaments dans l'organe et détruire de l'intérieur les cellules cancéreuses. Dans un article publié dans Nature en 2015, des chercheurs de l'Université de Géorgie ont montré qu'il était possible de faire transporter aux diatomées, trouvées entre autres dans nos océans, des médicaments chimiothérapeutiques peu solubles dans l'eau, donc difficiles à transporter dans le corps humain. Ils ont aussi fixé des anticorps spécialisés sur la coque en silice afin de cibler uniquement les cellules cancéreuses. En plus d'être efficace, cette technique permet de s'affranchir des produits chimiques toxiques nécessaires à la fabrication de nanocapsules de silice synthétique.
L'Intelligence Collective des Bancs de Poissons et les Algorithmes Bio-inspirés
On estime que les océans sont peuplés de 3 500 milliards de poissons. Ces poissons peuvent se regrouper en bancs de plusieurs centaines, voire plusieurs milliers d'individus. Mais comment arrivent-ils à se déplacer avec une telle cohésion de groupe sans se rentrer les uns dans les autres ? C'est grâce à l'intelligence collective. Elle leur permet de réaliser ensemble des tâches d'une grande complexité, ce qu'ils ne pourraient faire avec leurs seules capacités individuelles. Au milieu des océans, on trouve plusieurs enjeux importants au sein d'un banc constitué de milliers d'individus. Chacun doit pouvoir trouver de la nourriture sans dépenser trop d'énergie ; rester au sein du banc pour ne pas être isolé et être ciblé par les prédateurs ; et garder une "distance de sécurité" avec ses voisins pour ne pas entrer en collision.
La solution pour réaliser tous ces objectifs sans hiérarchie claire au sein du banc est la coopération. En communiquant avec ses voisins et suivant leur sillage, chaque individu peut déterminer la direction de l'océan dans laquelle il y a le plus de nourriture, mais aussi explorer de nouvelles pistes de nourriture sans s'isoler du groupe. Cela permet non seulement au banc de progresser en économisant de l'énergie, mais aussi d'optimiser son déplacement dans l'océan afin de trouver le maximum de nourriture et ainsi satisfaire l'appétit insatiable de ses membres. L'aisance déconcertante avec laquelle les bancs de poissons trouvent le chemin optimal dans l'océan qui maximise la nourriture rencontrée tout en minimisant l'énergie dépensée a ainsi inspiré de nombreux algorithmes d'optimisation bio-inspirés.
Des chercheurs de l'Université de Jadavpur en Inde ont ainsi imaginé en 2014 un algorithme d'optimisation inspiré des bancs de krill qui peuplent nos océans. Cet algorithme est meilleur que les autres algorithmes d'optimisation classiques à la fois en termes de temps et de complexité de calcul. Son fonctionnement repose sur un principe simple : on vient explorer l'océan des solutions potentielles au problème d'optimisation avec un ensemble d'individus différents. Chaque individu peut communiquer seulement avec ses plus proches voisins. Par rapport à ses voisins, un individu peut soit être vu comme un meneur lorsqu'il est sur une bonne piste et ainsi influencer ses voisins, soit être vu comme un suiveur qui n'a pas de "bonne piste" à portée et qui va continuer d'explorer en suivant la piste du meneur le plus proche. À travers les itérations de l'algorithme, les positions de meneur et de suiveur peuvent varier pour un même individu, ce qui reflète la réalité au sein des bancs de poisson. Cela évite que tous les poissons s'engouffrent dans une fausse piste à cause d'un individu qui a été arbitrairement choisi comme meneur au début. C'est ce principe sous-jacent d'absence de hiérarchie fixée et de communication constante entre les différents individus qui permet aux bancs de poissons, ainsi qu'à l'algorithme qui s'en inspire, d'être aussi efficaces. Cet algorithme peut s'appliquer à de nombreux problèmes divers et variés, comme pour le positionnement d'éoliennes, le contrôle d'essaims de drones ou même pour la planification des tâches dans une usine.
La Résistance de la Moule et les Adhésifs Bio-inspirés
On trouve dans les océans de nombreux organismes marins capables de maintenir une position fixe malgré les turbulences causées par les courants océaniques. Les organismes ayant choisi de rester immobiles dans ce milieu turbulent ont ainsi fait preuve d'ingéniosité en développant des colles biologiques particulièrement efficaces. La moule est un mollusque des océans remarquable par son accroche sur les rochers. C'est grâce à une protéine qu'elle secrète : la polydopamine.
Cette propriété n'a pas échappé aux biomiméticiens, comme les chercheurs de l'université de Beijing, qui ont testé une colle à base de polydopamine. Cette colle est non seulement adhésive en milieu humide, mais elle résiste aussi à la moisissure et peut donc augmenter la durée de vie des colles. D'un point de vue environnemental, cette colle étant constituée de soja et de farine de sang, elle permet de valoriser cette dernière, qui est un sous-produit provenant en général d'abattoirs de bovins et parfois utilisé comme engrais.
En dehors des nombreuses applications d'adhésifs bio-inspirés, c'est dans le domaine de la cosmétique que les moules de nos océans inspirent les chercheurs. En effet, en plus de coller malgré l'eau des océans, la colle de la moule est également résistante aux UVs. Cela fait de la moule une candidate idéale pour une crème solaire bio-inspirée. Des chercheurs de l'Université de Guangzhou ont ainsi trouvé une formulation à partir de polydopamine et d'acide hyaluronique pour une crème solaire qui adhère particulièrement bien à la peau : même après un rinçage intensif, 87% des molécules actives de la crème restent sur la peau. La durée de protection de la peau est aussi particulièrement longue : elle tient 8h sur la peau, alors que les crèmes solaires qu'on trouve actuellement dans les commerces tiennent aux alentours de 3h.
La moule n'a cependant pas le monopole de l'adhésion, l'oursin est capable de coller et de décoller ses pieds, les podias, à sa guise pour explorer l'océan en quête de nourriture. En 2020, cela a inspiré des chercheurs de l'Université des Sciences de Lisbonne pour concevoir une colle bio-inspirée à partir de protéines efficace sous l'eau et biocompatible. Elle ouvre la porte à de nouvelles options pour refermer les plaies, autres que les traditionnels points de suture.
L'Oursin : Résistance Structurelle et Longévité
L'oursin, petit mais vaillant habitant de l'océan, présente des propriétés très intéressantes en termes de structure et de longévité. Un pavillon à l'Université de Stuttgart a été inspiré par la façon dont les plaques constituant le squelette (appelé le "test") de l'oursin s'agencent pour créer cette structure particulièrement résistante et légère malgré la forte courbure. Les plaques de contreplaqué ultrafines (seulement 6.5mm !) constituant le pavillon en bois de près de 9 m de haut et 780 kg ont été usinées puis assemblées par des robots en reproduisant l'empilement des couches observé dans le squelette de l'oursin. Ce pavillon est un bel exemple de "lightweight design" bio-inspiré : on trouve en effet dans la nature de nombreuses structures alliant résistance et légèreté ainsi qu'économie de matière.
En plus de donner des idées aux architectes et designers, les "hérissons des océans" sont très prisés par les chercheurs. Une des caractéristiques intrigantes de l'oursin est sa longévité : il ne vieillit jamais. Cela est dû à ses chromosomes d'ADN, et plus particulièrement à ses télomères. Ces derniers sont des petits "capuchons" préservant l'ADN et permettant la division cellulaire. Chez la plupart des êtres vivants, passé un certain nombre de cycles, la division cellulaire n'est plus possible : c'est la cellule qui vieillit. Or chez l'oursin, ces capuchons protecteurs ne s'abîment pas, il est ainsi capable de régénérer ses cellules, et ce quel que soit son âge. Des chercheurs de l'Université d'Oregon ont ainsi découvert dans l'Océan Pacifique un oursin de plus de 200 ans, alors que la tortue des Seychelles, l'animal terrestre ayant la plus longue longévité, ne vit "que" 187 ans.
Les Baleines à Bosse : Ballerines des Océans et Maîtres de l'Hydrodynamisme
La baleine à bosse est un autre habitant de l'océan souvent mis à l'honneur, et à raison. Elle se différencie des autres baleines par ses protubérances en forme de bosses situées sur ses nageoires, d'où son nom. On pourrait remettre en question l'esthétique de ces bosses, mais leur atout en termes d'hydrodynamisme est indéniable. Malgré sa taille imposante d'une quinzaine de mètres de long, ce mammifère marin sait se montrer très agile dans l'océan pour capturer ses proies. Son agilité hors pair est due aux protubérances, qui permettent d'augmenter la portance et de retarder le décrochage sous l'eau. Cela a inspiré de nombreuses applications biomimétiques liées à la mécanique des fluides (hydrodynamisme et aérodynamisme principalement).
Dans le secteur aéronautique, une équipe de chercheurs du Centre allemand pour l'aéronautique et l'astronautique s'est intéressée de près à ce géant des océans. Les pales d'hélicoptères étant soumises à des phénomènes de décrochage lorsqu'elles tournent à haute vitesse, des vibrations désagréables pour les passagers apparaissent et la manœuvrabilité est limitée. En reproduisant les protubérances des nageoires sur les pales de l'hélicoptère, les pilotes tests ont constaté que l'hélicoptère était effectivement plus maniable. Airbus Helicopters, leader mondial en fabrication d'hélicoptères civils, s'est ainsi intéressé de près à cette solution facile à mettre en place sur tous ses modèles actuels : il suffirait de rajouter une série de petites bosses en caoutchouc de 6 mm d'épaisseur sur les bords des pales pour améliorer drastiquement les performances en vol.
Au-delà de la Conception Marine : Autres Inspirations Biologiques
Les océans recouvrent les trois quarts de la superficie de la Terre, contiennent 97 % des réserves en eau de la planète et représentent 99 % de son espace vital en volume. Les ressources des océans et de la planète en général sont cependant limitées. Dans l'Étude sur la contribution du biomimétisme à la transition du CGDD, il est rapporté ceci : « Les limites physiques et biologiques de la planète nécessitent donc de revisiter les mécanismes du monde vivant, non seulement à l'échelle des espèces mais aussi à celle des écosystèmes, pour trouver des réponses innovantes s'inscrivant dans ces limites, en termes de produits, de procédés et d'organisations. »
La raréfaction des ressources naturelles répercute directement le système économique actuel. Pour reprendre la célèbre formule de LAVOISIER « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » ; il n'existe pas de « déchet » dans un écosystème naturel. Tout sert et se recycle en permanence. L'idée d'appliquer ce fonctionnement à nos propres activités a été popularisée notamment par Ellen MacARTHUR et Gunther PAULI. Le concept de l'économie bleue est issu de l'initiative Rio +20 pour une Économie verte. Il repose sur les principes de bien-être de l'homme, d'équité sociale, de réduction des risques environnementaux, d'efficacité des ressources en lien avec la mer. « Il invite à préserver la mer, à prendre la mesure de l'infini panel de solutions qu'elle renferme puis à se les approprier et à en partager les bénéfices. »
Exemples d'Applications Diversifiées
- Le concombre de mer : La capacité de leur peau à s'amollir ou à se rigidifier en fonction du milieu a été à l'origine de la création de micro-électrodes souples à implanter dans le cerveau pour mieux le soigner.
- Le poulpe : Des ingénieurs se sont inspirés des caractéristiques du tentacule du poulpe pour mettre au point un prototype de bras robotique. Des expériences ont permis de créer un tissu artificiel inspiré par la peau du poulpe. Comme ce céphalopode, le tissu peut changer sa texture et sa couleur afin de se fondre dans l'environnement, ce qui permettrait d'améliorer les techniques de camouflage dans l'armée.
- La méduse : Le « marqueur vert », utilisé en médecine et en chimie, a été copié sur le composant chimique de la méduse Aequorea victoria.
- La coquille Saint-Jacques : En imitant la façon de se déplacer des coquilles Saint-Jacques, des chercheurs ont mis au point un micro-robot sans moteur ni batterie qui permet de monter des dispositifs médicaux à l'intérieur du corps.
- La crevette : Les propriétés et constituants de la carapace des crevettes ont inspiré la conception du shrilk, une sorte de plastique peu coûteux et biodégradable.
- L'éponge de mer : Des scientifiques ont découvert que certaines éponges marines possèdent des propriétés structurales de rigidité mécanique et de stabilité, en dépit de leurs composants internes fragiles.
- La murène : L'hydrolienne Eel energy (eel signifie anguille en anglais) a pris modèle sur le déplacement par ondulation des animaux aquatiques.
- La seiche : Le robot sous-marin Sepios a été inspiré de la seiche.
- L'étoile de mer : Une enzyme présente dans les cellules humaines, existe en abondance dans les œufs de l'étoile de mer épineuse Marthasterias glacialis. Cette enzyme permet ou empêche, selon son état, la division de cellules.
- Le manchot : Si le manchot était un véhicule, il pourrait parcourir 1500 km avec un seul litre de carburant, soulignant une efficacité énergétique remarquable.
- La patelle : Les dents de patelle sont ultra-résistantes à la traction grâce à leur structure composite particulière.
Ces exemples illustrent la diversité des domaines où le biomimétisme, puisant son inspiration dans les organismes marins et terrestres, ouvre la voie à des innovations durables et efficaces, de la médecine à l'ingénierie en passant par la cosmétique et l'optimisation algorithmique.
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