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Grenouilles, termites, requins… le progrès dans la peau

Image 1 : Grenouilles, termites, requins… le progrès dans la peau

Biomimétisme : la nature source d’inspiration

Dans le monde du biomimétisme, on n’hésite pas à propulser des feuilles de Lotus dans l’espace, à faire entrer des moules et des moustiques à l’hôpital ou à inviter un martin-pêcheur dans les bureaux de design du TGV japonais. Pourquoi s’en priver d’ailleurs tant les mécanismes du vivant, fruits de milliards d’années d’évolution, sont une source d’inspiration presque sans fin pour les chercheurs de tous horizons. Ils y trouvent matière à améliorer les sciences et technologies existantes ou à en inventer de nouvelles. Ce domaine de recherche n’est pas nouveau, l’homme ayant toujours d’une manière ou d’une autre cherché à copier la nature. Mais il a pris une nouvelle envergure ces 20 dernières années grâce aux travaux de la biologiste Janine Benyus et des six ouvrages qu’elle a écrit sur le sujet depuis 1997 et, plus récemment, de deux conférences passionnantes (sous-titrées en français) disponibles sur le site TED : Les promesses du biomimétisme (2005) et Le biomimétisme en action (2009).

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Des piqures indolores grâce au moustique

Un très bel exemple d’application du biomimétisme au service de notre confort (presque) quotidien : les piqures qui ne font pas mal !  Elles existent depuis quelques années déjà et sont utilisées un peu partout sur la planète sans que l’on sache nécessairement que leur conception fut inspirée par la trompe du moustique. Partant du constat que les piqures de moustiques sont absolument indolores (c’est après que cela se gâte…) deux sociétés japonaises spécialisées dans le matériel médical (Okano Industrial Corporation et Terumo Corporation) ont conçu cette aiguille qui n’est plus cylindrique, mais conique, et qui est si fine (60 micromètres de diamètre) qu’elle fait taire, depuis, les plus rétifs d’entre nous à toue forme d’injection.           

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Halte aux bactéries avec le requin des Galapagos !

Restons pour le moment dans le domaine médical avec cette autre application du biomimétisme que l’on doit cette fois au requin des Galapagos. Tout commence il y a quelques années avec la mise au point d’un revêtement pour coques de bateaux, destiné à réduire considérablement les dépôts d’algues. Ce procédé s’inspirait au niveau microscopique de la « topologie » de la peau de ce requin qui reste toujours « propre » et exempte de micro-organismes. Une entreprise américaine basée à Denver, Sharklet Technologies Inc. a, quelques temps plus tard, poussé les recherches beaucoup plus loin et mis au point un film anti bactérien, inspiré par cette même « topologie », et destiné à être appliqué sur différentes surfaces sensibles en milieu hospitalier où les bactéries n’aiment plus proliférer, ni même s’installer.    

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Détecter des explosifs grâce à un papillon

Soyons très clairs, il ne s’agit pas d’une nouvelle méthode  pour dresser des papillons renifleurs d’explosifs… mais d’une nouvelle application de biomimétisme s’inspirant de la structure des antennes du Bombyx du Murier qui lui permettent dans la nature de réagir au quart de tour à la capture de seulement quelques molécules de phéromones. Le système, dévoilé mi 2012 par le CNRS / Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis, en collaboration avec le Laboratoire des matériaux, surfaces et procédés pour la catalyse(CNRS / Université de Strasbourg) est constitué d’un micro-levier en silicium (200 microns de long sur 30 de large) recouvert de près de 500 000 nanotubes en dioxyde de titane  capable de détecter des concentrations de TNT de manière beaucoup plus efficace que les dispositifs actuels en améliorant le seuil d’un facteur 1 000. Il était en effet possible  jusqu’à présent de détecter des concentrations de TNT de l’ordre d’une molécule pour 1 milliardmolécules d’air (109). Les tests de ce micro-levier « renifleur » effectués par le CNRS ont permis d’approcher l’efficacité du flair des chiens spécialisés en détectant 800 molécules de cet explosif pour 1 million de milliards (1015) de molécules d’air.

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Le TGV japonais, véritable zoo ambulant

La forme de l’avant des locomotives du Shinkansen, le système de TGV en service au Japon, est immédiatement reconnaissable et l’on pourrait se dire qu’après tout, ce n’est qu’une coquetterie « design » de plus dans un pays qui aime très souvent nous étonner en la matière (en bien ou en mal). Les raisons n’ont en fait rien d’esthétiques et sont à mettre au crédit d’Eiji Nakatsu, passionné d’oiseaux en tous genres et ancien Directeur du développement technique de la société JR-West, à l’origine du réseau Shikansen. Celui-ci s’est en effet inspiré du monde animal afin de résoudre le problème majeur du bruit que posait ce train à très grande vitesse dans un environnement ultra dense en habitations comme c’est le cas au Japon (certains trains passent à 20 mètres d’immeubles). Afin de réduire la « détonation » due aux différences de pressions lorsque le train sortait d’un tunnel,  il s’est donc inspiré de la forme du crâne et du bec du Martin Pêcheur pour le nez de la locomotive car, avait-il remarqué, ce volatile est capable de plonger dans l’eau très vite, sans aucun bruit et presque sans laisser de traces à la surface de l’eau. Mais ce n’est pas tout ! Toujours afin de réduire les nuisances sonores au maximum, il s’est inspiré de la forme de la tête et des dentelures des ailes de la chouette pour redessiner les pantographes du train (dispositif articulé qui relie le toit de la locomotive à la caténaire), qui génèrent une large part du bruit produit par le train en mouvement. Poussant encore un peu plus son exploration du biomimétisme, il a, enfin, été faire un petit tour du côté des pingouins et leur a emprunté la forme très aérodynamique de leur corps pour concevoir la base de ces pantographes.  

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Un lézard très collant

Il défie les lois de l’attraction en grimpant aux surfaces les plus lisses et se révèlecapable de rester collé au plafond sans sourciller (non ce n’est pas Spiderman). Il n’a d’ailleurs pas de paupières mais pousse parfois des cris très étranges. C’est le Gecko ! Ce petit reptile, dont les pattes ont la particularité d’adhérer littéralement à tous types de surfaces sans laisser l’ombre d’un résidu (y compris sur le verre), a été l’objet d’études d’une équipe de chercheurs spécialisés en polymères et biologie de l’Université du Massachussetts à Amherst bien décidés à éclaircir ce mystère de la nature, histoire de voir s’il n’y avait pas quelque chose à en tirer pour les humains. Ils ont alors découvert que la force qui permet au Gecko de supporter son poids, proportionnellement bien supérieur à la surface de contact de leurs pattes, est essentiellement due à leurs tendons qui sont directement connectés à sa peau. Forts de cette découverte, ils sont parvenus à mettre au point le Geckskin, une fibre adhésive révolutionnaire (sans adhésif) constituée de tendons artificiels en polymère qui, une fois tissée, leur a permis de suspendre plus de 300 Kg à une vitre par simple contact (voir la vidéo).             

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Des escadrons de micro-robots inspirés des colonies d’abeilles

Le projet Robobees, développé depuis quelques années par différents départements de l’Université de Harvard (Engineering et sciences appliquées, Biologie évolutive des organismes, Microrobotics Lab.) s’inspire du comportement des colonies d’abeilles pour tenter de reproduire, à l’aide de micro robots indépendants et coordonnés, la forme d’intelligence collective qu’elles sont capables naturellement de développer. Les domaines d’application potentiels sont très divers puisque ces futur bataillons d’abeilles électroniques seront  peut-être être un jour capables de polliniser des cultures de manière autonome, faire de la surveillance militaire, explorer des environnements trop dangereux pour l’homme, surveiller le trafic routier, etc.  Une des étapes fondamentale de cette vaste entreprise a été franchie avec la conception et les premiers vol (non contrôlé pour le moment) d’un robot-abeille grandeur nature (voir la vidéo). Les principaux défis à venir étant de les doter d’un « cerveau » qui leur permettra de voir leur environnement, contrôler leur vol et communiquer sommairement entre elles.

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Le Lotus et l’Astronaute

La Nasa travaille depuis quelques années à la conception de surfaces directement inspirées des caractéristiques très particulières de la feuille de Lotus. Versez de l’eau sur leurs larges feuilles et vous verrez des gouttes d’eau se former instantanément, et rester en l’état.  Ce que vous ne verrez pas en revanche, c’est qu’elles auront emporté sur leur passage toutes les poussières et les particules se trouvant à la surface des feuilles. Ce phénomène de superhydrophobie, et d’auto-nettoyage appelé « effet Lotus » a été découvert dans les années 70 et est appliqué depuis dans différents domaines (surfaces de bâtiments, verres autonettoyants, textile…). La NASA, sous la houlette de Wanda Peters, Chef de division adjointe de la Division des systèmes mécaniques (sur la photo), est bien décidée à l’exporter dans l’espace avec un programme de recherches visant à développer de nouveaux matériaux adaptés aux contraintes rencontrées dans l’espace ou, en voyant plus loin, lors d’éventuelles exploration de planètes. Objectif : empêcher les saletés, les poussières (particulièrement abrasives sur la Lune notamment) et même les bactéries (avec l’adjonction de biocides) de s’accumuler sur les combinaisons spatiales, les instruments scientifiques, les robots, les panneaux solaires etc. Principal défi : adapter cette technologie aussi bien à des surfaces souples que rigides en mouvement.

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Un poisson robot autonome qui teste la qualité de l’eau

Dévoilé il y a quelques semaines seulement par une équipe de chercheurs de la Michigan State University, GRACE  (Gliding Robot ACE) est la nouvelle génération du poisson robot autonome conçu par Xiaobo Tan, Professeur agrégé de génie électrique et informatique. Certes, il fait beaucoup penser à un avion,mais peut désormais « nager », sur de très longues distances, en consommant très peu d’énergie (presque indéfiniment selon l’équipe) afin de collecter des informations sur la qualité de l’eau et sa température tout en  s’adaptant à différents types d’environnements : cours d’eau peu profonds, lacs, rivières, courants rapides, etc.

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Les termites championnes de la climatisation

Où l’on constate que les termites, terreurs de nos maisons, nous en apprennent paradoxalement beaucoup sur la manière de concevoir des systèmes de climatisation naturelle pour les bâtiments. La structure des termitières, qui peuvent atteindre plusieurs mètres de haut, est naturellement dotée d’un système de ventilation passif qui maintient des niveaux de température et d’hygrométrie optimale pour ses habitantes. Ces architectes écolos, sans le savoir, sont une source d’inspiration depuis une vingtaine d’année pour les concepteurs de bâtiments collectifs tels que ceux qui ont bâti en 1996 un des premiers édifices de ce type, L’Eastgate Center à Harare au Zimbabwe, ou plus récemment le Queen’s Building de la De Montfort University à Leicester en Angleterre. À la clé, de substantielles économies d’énergie, pour le chauffage l’hiver ou la climatisation l’été, car la température est quasi constante en permanence.

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Des LED deux fois plus lumineux grâce aux lucioles

Continuons dans l’univers des insectes avec les lucioles et plus particulièrement avec la femelle Photuris qui possède un abdomen lumineux clignotant lui permettant d’attirer les mâles d’autres espèces pour les tuer et les manger. Un collectif de chercheurs français, belges et canadiens s’en sont inspirés, dans un but beaucoup plus pacifique. Après avoir analysé la structure et le dessin de la surface de leur abdomen, qui a la capacité d’amplifier la lumière émise en interne, ils sont parvenus à concevoir une surcouche LED qui laisserait passer 55 % de lumière supplémentaire.            

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Un poisson robot qui nage dans le corps humain

Elle ressemble un peu à une anguille, elle a une bouche à faire peur et s’avère être un véritable « vampire de la mer ». La Lamproie des mers est en effet un poisson parasite qui s’accroche à la peau d’autres poissons pour leur aspirer le sang. Bon nombre de ses caractéristiques ont cependant inspiré le projet de biologie synthétique Cyberplasm, mené par des chercheurs anglais et américains, qui vise à développer un micro robot capable de se promener dans le corps humain afin de collecter des informations et, le cas échéant, d’y détecter d’éventuelles maladies. 

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De nouveaux biocarburants grâce aux grenouilles Tungara

Les biocarburants à base de végétaux sont apparus depuis quelques années comme l’alternative miracle à l’usage et à la raréfaction des énergies fossiles mais beaucoup commencent à déchanter car les conséquences néfastes en termes environnemental et socio-économique ne cessent d’être revues à la hausse.Des chercheurs de l’Université de Cincinnati pensent avoir trouvé un début de commencement de solution grâce à la Tungara, une petite grenouille d’Amérique centrale. En s’inspirant des nids de mousse naturellement fabriqués par celles-ci pour élever leurs têtards, ils ont pour objectif de concevoir un nouveau matériau photosynthétique capable de transformer en sucre la presque totalité de la lumière captée, contrairement aux végétaux qui consomment une partie de cette énergie pour leurs besoins vitaux. Une technologie à très haut rendement donc qui, toujours selon ces chercheurs, aurait l’avantage également de ne pas utiliser les sols réservés à l’agriculture en étant installés dans des environnements à très haute teneur en dioxyde de carbone comme, par exemple, les cheminées de centrales à charbon.          

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Les moules au secours de la chirurgie

« S’accrocher comme une moule à son rocher ». On ignore si Jian Yang, professeur de Génie biologique à la Penn State University, connaît cette expression très imagée mais ce dont on est sûr c’est qu’il s’est inspiré de ce mollusque marin pour mettre au point et tester (sur des rats pour le moment) un nouvel adhésif chirurgical révolutionnaire. En partant du constat que la moule fabrique naturellement  une protéine adhésive, très puissante,  qui lui permet de s’accrocher rapidement et « contre vents et marées  » à différents types de surfaces (rochers, coques de bateau, piliers de bois, etc.), il a créé une protéine synthétique de même structure qui a été intégrée à un polymère biodégradable et injectable dans les plaies, milieu humide par excellence et pas du tout adapté aux adhésifs.

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La première « feuille » artificielle

C’est à Daniel Nocera, professeur de chimie au MIT, et à son équipe que l’on doit, en 2011, la conception de la première feuille synthétique capable de recréer le processus de photosynthèse. De la taille d’une carte à jouer, elle permet de transformer de l’eau en hydrogène et en oxygène (pouvant être utilisés comme combustibles) sans utiliser d’autre énergie que celle fournie par la lumière du soleil (voir vidéo).

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Le chiton à la rescousse des batteries et des cellules solaires

Après avoir étudié le Chiton en long, en large et en travers pendant quelques années, David Kisailus de l’Université de Californie à Riverside s’est plus particulièrement intéressé à la dentition de cet (imposant) escargot marin. Ce dernier possède un système dentaire très complexe fait de deux très longues rangées de petites dents recouvertes de magnétite (minéral très dur et magnétique) qui s’usent et se régénèrent au fur et à mesure qu’il mange.Lorsqu’il a un petit creux, cela lui permet de broyer la roche avant d’atteindre l’algue tant convoitée. Après avoir décortiqué ce processus étonnant, David Kisalius a tenté de le transposer dans son laboratoire afin de l’appliquer dans le domaine des cellules solaires et des batteries lithium-ion qui pourraient alors, selon lui, fonctionner de manière plus efficace et produire une meilleur rendement.

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Le requin, les nageurs et le marketing

Biomimétisme ou marketing ? Il était une fois l’histoire d’une combinaison de natation révolutionnaire qui reproduit la structure de la peau du requin à l’échelle microscopique afin d’augmenter considérablement l’hydrodynamisme. Disponible depuis quelques années, ce type de d’équipement est unanimement loué pour son efficacité, pluie de records à la clé, au point d’avoir été interdit en compétition. Mais est-ce vraiment grâce au requin ? Assurément non pour le professeur Georges Lauder, professeur spécialiste en biomimétisme (entre autres) à l’Université de Harvard, qui, après avoir étudié de près une peau de requin (mort) est arrivé à la conclusion il y a quelques mois  que la belle histoire n’était probablement qu’un joli coup marketing. Tout en reconnaissant que les performances de la combinaison étaient bien là, elles sont selon lui dues à tout, sauf à leur apparente similitude avec la peau du requin. La surface rugueuse de cette dernière présente l’avantage de réduire la trainée laissée par l’animal dans l’eau tout en augmentant la propulsion grâce sa multitude de petites « dents » mobiles. Ce n’est donc pas la surface des combinaisons qui serait, selon Georges Lauder,  à l’origine de ce gain de vitesse. Reste à savoir maintenant si ses recherches conduiront  les équipementiers à développer une nouvelle génération de combinaisons réellement biomimétiques  qui auront-elles aussi toutes les chances d’être interdites.