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Science : la bio-inspiration consiste à observer, comprendre la nature, puis à reproduire ses propriétés artificiellement. | PBNJ Productions via Getty ImagesLa nature fait bien les choses. Derrière ce proverbe, une explication toute simple: des millions d'années d'évolution ont permis aux animaux, plantes et autres microbes de développer des caractéristiques incroyables.Caractéristiques dont il serait dommage de se passer. Et ça, les scientifiques l'ont bien compris. Ils sont ainsi de plus en plus nombreux à copier la nature. Ou du moins, à s'inspirer de la faune et de la flore qui peuple la surface de la terre.L'exemple le plus connu, c'est évidemment le Velcro. En 1941, un ingénieur suisse,Georges de Mestral, s'intéresse aux fleurs de bardane (un type de chardon). Il se rend compte qu'elles sont munies de petits crochets qui se fixent aux tissus. S'inspirant du principe, il invente le Velcro.
Cela s'appelle la bio-inspiration. Un principe qui tend à se développer ces dernières années.
Des super-oreilles des mouches aux dents ultra-résistantes des bernicles en passant par le dos hérissé du porc-épic, les inspirations sont nombreuses (voir notre diaporama en fin d'article).Mais comment s'inspire-t-on de la nature, et quels en sont les bénéfices réels?
Le HuffPost a interrogé plusieurs scientifiques travaillant sur le sujet.
Darwin, ce génial inventeurQuand on s'intéresse aux inventions du vivant, on se rend compte que le plus grand inventeur n'est autre que Darwin. Pas l'homme à l'origine de la théorie de l'évolution. Mais bien la théorie elle-même."Dans les matériaux biologiques, la nature est limitée en types d'atomes disponibles: azote, carbone, hydrogène, oxygène, soufre [quelques dizaines d'éléments
contre les 118 que l'homme connaît, ndlr]. Elle doit donc choisir comment placer ces molécules pour optimiser leurs propriétés", explique John Dunlop, chercheur au département bio-matériaux du Max Planck Institute. "Notre objectif, c'est de comprendre comment fonctionnent ces structures et pourquoi elles sont optimisées", précise-t-il.Malgré ces limitations, la nature a un avantage considérable pour créer la combinaison parfaite: le temps. Les espèces survivant des millions d'années ont nécessairement développé, au gré de milliers de mutations aléatoires, des caractéristiques incroyablement efficaces pour s'adapter à leur milieu.
Une histoire de briquesAinsi, les organismes vivants peuvent être très complexes, malgré un nombre très faible d'éléments les constituant.Et c'est là qu'est l'intérêt pour l'ingénieur. "Les matériaux naturels ont un nombre limité de briques élémentaires, mais sont architecturés à toutes les échelles", schématise Yves Bréchet, Haut commissaire à l'énergie atomique et spécialiste des matériaux, notamment des bio-matériaux.
"Ce qui m'intéresse, ce n'est pas de copier, mais de savoir comment ça marche."En clair, avec l'évolution, la nature a eu le temps de créer des structures parfaitement adaptées à un besoin, alors même que le vivant ne peut pas utiliser les nombreux éléments rares que l'homme a à sa disposition, comme les métaux rares. Pour se faire, l'évolution a "forgé" les matériaux à différents niveaux: nanoscopiques, microscopiques, macroscopiques."À l'inverse, l'ingénieur travaille sur tous les éléments existants sur terre, mais pas sur toutes les échelles", précise Yves Bréchet.Là est l'avantage de la bio-inspiration: "marier la variété des architectures naturelles et la variété des briques élémentaires de l'ingénieur". L'objectif final: pouvoir créer des matériaux sur-mesure, en fonction du besoin. "Ce qui m'intéresse, ce n'est pas de copier, mais de savoir comment ça marche", explique Yves Brechet.
Et si la maîtrise de l'énergie de demain venait de la nature?Une fois la nature comprise par des chercheurs, d'autres s'acharnent à la copier. Petit exemple concret avec Daniel Nocera.Ce chercheur américain du MIT s'est intéressé à la photosynthèse des plantes. En imitant ce processus, il a créé une feuille artificielle qui, plongée dans de l'eau et soumise à la lumière, produit de l'hydrogène et de l'oxygène.Selon le chercheur, on peut produire assez d'énergie pour alimenter une maison avec seulement du soleil et 4 litres d'eau par jour (
plus de détails dans cet article de Slate).L'intérêt, par rapport à un simple panneau solaire, c'est que l'hydrogène se stocke facilement et peut restituer, à la demande, beaucoup d'énergie. Comment? Grâce à une pile à combustible. Une expression que vous avez déjà dû entendre par le passé. Le fonctionnement est tout bête: quand l'hydrogène passe dans la pile, ses protons et ses électrons se séparent, puis se recombinent avec l'oxygène présent dans l'air. Au final, de l'électricité est créée, de même que de l'eau et de la chaleur.Pour en savoir plus, regardez cette vidéo explicative de Hyundai:
Des enzymes à la place du platineUne pile à combustible peut produire dix fois plus d'énergie qu'une batterie au lithium. Pour autant, reste un problème. Pour fonctionner efficacement, ces piles ont besoin d'un catalyseur, d'un accélérateur de la réaction chimique. Et celui utilisé actuellement est très rare (et très cher): le platine.Il représente ainsi près d'un quart du prix d'une pile à combustible. De plus, son extrême rareté ne permet pas de parier sur l'hydrogène pour l'après-pétrole.Mais des chercheurs travaillent à remplacer le platine par un autre matériau. C'est notamment le cas de Vincent Artero et son équipe au CEA, dans le cadre des recherches en chimie bio-inspirée du Labex Arcane de l'université Grenoble Alpes.Pour remplacer le précieux métal, les chercheurs ont eux-aussi regardé du côté de la nature, et plus particulièrement des fonds marins, en analysant des bactéries présentes dans des failles océaniques.
"il y a 10 ans, on avait à peine synthétisé les premiers catalyseurs bio-inspirés. Il y a 5 ans, l'énergie produite avec l'enzyme était 200 fois plus faible qu'avec du platine.""Ces organismes sont présents dans cet environnement depuis des millions d'années. Les gaz qui sortent de ces failles contiennent beaucoup d'hydrogène, et les bactéries utilisent cet élément comme source d'énergie", explique Vincent Artero. "Elles le font sans platine, grâce à des enzymes, catalyseurs naturels, appelées hydrogénases", développe-t-il.Une fois que les chercheurs ont compris comment la bactérie transforme l'hydrogène en énergie, ne reste plus qu'à imiter la structure de l'enzyme pour synthétiser des catalyseurs sans platine. Soit "créer" artificiellement des molécules dont la structure est similaire à celle de l'enzyme, puis les utiliser dans les piles à combustible à la place du platine.Pour autant, il ne faut pas crier victoire trop vite. La bio-inspiration prend beaucoup de temps et de nombreuses études ne trouvent pas d'application concrète. Pour l'instant l'enzyme synthétique est 10 à 20 fois moins efficace que le platine utilisé dans la pile à combustible. "Mais il y a 10 ans, on avait à peine synthétisé les premiers catalyseurs bio-inspirés. Il y a 5 ans, l'énergie produite avec l'enzyme était 200 fois plus faible qu'avec du platine", relativise Vincent Artero.Laissons le temps au temps. Qui sait, la révolution énergétique de demain sera peut-être inspirée de la nature et de ses millions d'années d'évolution.
Et s'il valait mieux dire "la mouche à l'oreille" que la puce? Une équipe de chercheurs de l'université du Texas a développé un implant cochléaire basé sur les oreilles ultra-sensibles de la mouche.
Surtout, l'implant ne fait que 2mm et utilise un matériau transformant la pression en signal électrique, ce qui permet de faire fonctionner l'objet avec très peu d'énergie (et donc des batteries bien plus petites).
Les dents de la patelle, plus dur matériau au monde
Il y a encore quelques mois, on pensait que la toile d'araignée était le matériau le plus résistant au monde. Mais
des chercheurs de l'université de Portsmouth ont découvert que les dents de la patella (les fameuses arapèdes et autres bernicles) sont encore plus résistantes.
Les dents en question recouvrent la radula, une sorte de langue présente sur de nombreux mollusques. Elles permettent de "mâcher" les aliments grâce à
"des mouvements d'aller et de retour".
Les scientifiques à l'origine de cette découverte estiment qu'un tel matériau pourrait être copié, par exemple pour des voitures de courses, des coques de bateaux ou des pièces d'avions.
Des feuilles de lotus comme tissuUne équipe de chercheurs slovaques a travaillé sur un tissu inspiré des fleurs de lotus. Celles-ci possèdent une propriété intéressantes: elles sont hydrophobes, l'eau ne peut pas y pénétrer.
Les chercheurs du Vutch-Chemitex ont donc copié cette propriété pour créer un tissu imperméable à l'eau. Mieux: l'eau qui ruisselle nettoie le tissu (c'est le même mécanisme pour le lotus).
Les piquants du porc-épic comme aiguilles du futur
Une découverte qui ne manque pas de piquant.
En 2012, une équipe de l'école médicale d'Harvard et du MIT a fait une découverte étonnante.
Les piquants du porc-épic (nord-américain) possèdent des petites pointes microscopiques. Leur intérêt? Elles permettent aux pics de l'animal de s'enfoncer deux fois plus facilement dans du cuir... et d'être quatre fois plus difficile à enlever!
En s'inspirant de cette défense naturelle, les chercheurs ont créé un pic synthétique qui pourrait être utilisé en chirurgie, notamment en tant qu'agrafe.
La feuille artificielle
Et si la prochaine révolution dans le domaine de l'énergie nous venait des plantes, et plus particulièrement de la photosynthèse?
En s'inspirant de cette capacité naturelle, le chercheur Daniel Nocera, du MIT,
a imaginé une feuille artificielle.
A la différence que celle-ci ne consomme pas de dioxyde de carbone mais de l'eau. Plongée dans un liquide et éclairée par le soleil, cette feuille produit de l'oxygène et de l'hydrogène, l'élément chimique le plus simple du monde et permettant par ailleurs de fournir de l'énergie en grande quantité.
Une enzyme dans une pile à hydrogène
Et sur la transformation de l'hydrogène en énergie, la bio-inspiration est encore présente. C'est sur cela que travaillent Vincent Artero et son équipe au CEA-Grenoble.
Dans une pile à combustible classique, utilisée pour convertir l'hydrogène en électricité, le platine sert de catalyseur à la réaction. Mais en observant certaines bactéries, les chercheurs ont créé une enzyme synthétique capable de remplacer le métal si rare (et si cher).
Des drones insectes
Si l'homme a réussi à voler depuis plus de deux siècles, il n'avait jusqu'à peu jamais réussi à imiter les battements d’ailes des oiseaux.
Depuis quelques années, des scientifiques se sont intéressés à la question pour fabriquer
des microdrones... à partir d'insectes.
Une équipe française pousse même l'inspiration encore plus loin. Plutôt que de battre des ailes grâce à des mécanismes, le projet Remanta voudrait faire voler un drone en copiant la déformation du thorax de la libellule.
La massue de la crevette-mante
Connaissez-vous le "stomatopoda", plus communément appelé la "crevette-mante"? Ce crustacé possède une paire de pattes ravisseuses, comme
la mante religieuse. Elles peuvent être de deux types: telle une lance, pointue et capable d'embrocher leur proie, ou de la forme d'une massue, capable de briser les coquilles.
James C. Weaver et son équipe
se sont intéressés à ces fameuses massues et se sont rendus compte qu'elles avaient des propriétés étonnantes.
La surface de frappe est constituée d'un minéral extrêmement résistant, l'hydroxyapatite (ce qui forme l'émail dentaire). Derrière cette coque résistante, il y a des couches de chitines (un matériau commun qui compose l'exosquelette de nombreux insectes) disposés d'une manière bien particulière. Le but : atténuer l'impact du coup de massue et éviter que la patte ne se fracture.
Aucune application n'a encore été trouvée, mais il est à noter que l'US Air Force a financé en partie l'étude.
Camouflage de ouf
Camouflage de ouf by meygisanLa cape d'invisibilité de la seiche
La cape d'invisibilité, c'est un peu la tarte à la crème de la recherche scientifique. De nombreuses équipes se sont attaqués à ce problème, avec plus ou moins de réussite.
Des chercheurs de l'université de Californie
se sont inspirés de la seiche pour développer une cape d'invisibilité particulière.
Ce tissu en question, adhésif, quand il est activé, disparaît... du moins pour les caméras à infrarouges. On est loin de la cape d'Harry Potter, mais une telle technologie serait très appréciée par les armées modernes.
http://www.huffingtonpost.fr/2015/03/25/science-nature-inspiration_n_6909798.html?ncid=fcbklnkfrhpmg00000001Le HuffPost | Par Grégory RozièresPublication: 25/03/2015