Des inventions humaines géniales... largement inspirées par la nature

www.terraeco.net

A chaque fois que vous rencontrez un problème, observez la nature. Celle-ci a peut-être déjà eu les mêmes difficultés, et si c’est le cas, elle a sûrement trouvé une solution il y a quelques milliers d’années. Voilà la devise du biomimétisme, une démarche qui entend réconcilier progrès et respect de l’environnement. Théorisée en 1998 par la scientifique américaine Janine Benyus, elle séduit aujourd’hui des centaines de scientifiques et entrepreneurs.

Leur credo : la nature reste le seul ingénieur capable de créer des multitudes de cycles de production sans consommer d’énergies fossiles, ni produire de déchets. Cet ingénieur original puise sa créativité dans les contraintes et s’adapte toujours à son environnement. Cet ingénieur n’a jamais déposé de brevets, toutes ses idées sont « opensource ». Il suffit d’observer et de copier. De Léonard de Vinci aux créateurs du fil barbelé, les grands inventeurs se sont souvent inspirés de Mère nature. Mais aujourd’hui, ce sont les cycles et les processus de production qui deviennent des modèles.

« Le but n’est bien sûr pas de copier le scarabée de Namibie juste pour le copier. On souhaite s’inspirer d’une philosophie de production » , détaille Gunter Pauli, entrepreneur belge et VRP mondial du biomimétisme grâce à l’institut Zeri (Initiative pour la recherche de zéro pollution). « L’approche du biomimétisme n’est pas seulement technologique, elle est aussi philosophique. Elle doit permettre de repenser aussi l’organisation des entreprises pour se concentrer sur la coopération, sur les complémentarités et sur l’adaptation qui permettent de créer des cercles vertueux. Parfois, l’innovation ne passe même pas par la technologie. Pour repenser la mobilité aujourd’hui il ne faut pas réinventer la voiture mais de nouveaux mode de déplacements, comme l’auto-partage », acquiesce Emmanuel Delannoy, directeur de l’institut Inspire (Initiative pour la promotion d’une industrie réconciliée avec l’écologie et la société).

En route, Terra eco vous présente cinq de ces inventions :

Du martin-pêcheur au Shinkansen, le TGV japonais

Le TGV japonais a une énorme qualité : il roule très vite, à plus de 300 km/h. Sauf que plus un train va vite, plus il fait du bruit. Si bien que le bruit du Shinkansen, c’est son nom, a longtemps dépassé les normes acoustiques. Une très mauvaise nouvelle, puisque ce train traverse de nombreuses villes et zones urbaines japonaises. Pire, il passe aussi de nombreux tunnels très étroits. Or à chaque traversée, l’air du tunnel se trouvait brutalement comprimé puis relâché, ce qui provoquait d’énormes explosions sonores.

La solution est venue de Eiji Nakatsu, un ingénieur ferroviaire qui a la particularité d’être aussi passionné de biologie. C’est lui qui fit le rapprochement entre ce train et un oiseau en s’interrogeant : pourquoi tant de tapage au passage du Shinkansen dans les tunnels alors que le martin-pêcheur parvient lui à plonger pour attraper ses proies dans l’eau sans aucune éclaboussure ? Car les deux phénomènes sont comparables : le train comme l’oiseau rencontrent brusquement une forte résistance. Mais l’oiseau traverse l’eau comme une fleur grâce à son bec tranchant. Eiji Nakatsu a donc repensé le design du TGV en s’inspirant du bec long et tranchant de cet oiseau. Résultat : plus aérodynamique, le TGV japonais demande 15% d’énergie en moins et va encore plus vite. Et il n’y a plus d’explosions au passage du TGV dans les tunnels.

De la peau du gekko à votre télé suspendue

Ce tableau – sans doute faux – hérité de votre grand-mère traîne dans votre cave depuis des mois. Impossible de l’accrocher au mur sans percer d’énormes trous, ce que refuse votre propriétaire. Des chercheurs de l’Université UMass Amherst, dans le Massachusetts, ont trouvé une solution pour vous en étudiant le gekko. Ce gros lézard fait partie des rares êtres vivants pouvant se déplacer sans encombre sur un plafond, la tête en bas. Mieux, un seul de ses doigts peut supporter l’ensemble de son poids, grâce à la force adhésive de Van der Waals. Une force extrêmement complexe, impossible à expliquer sans références à la physique quantique.

Les chercheurs ont donc copié en 2011 cette fabuleuse invention pour produire un adhésif puissant, sec et incolore : le geckskin. Le tout avec des matériaux communs et peu coûteux. De la taille d’une petite fiche bristol, le geckskin peut porter aisément un écran plat de 40 pouces, jurent ses concepteurs, qui posent fièrement ci-dessous :

De l’essaim d’abeilles aux robots-abeille

Un nuage de centaines de petites abeilles métalliques et indépendantes survolant un champ pour l’ensemencer. Non, il ne s’agit pas d’un remake bucolique de Matrix. Des chercheurs de l’université d’Harvard sont bien parvenus à créer des robots-abeilles. Pour les personnes anglophones et férus de technologie, l’université a mis en ligne une vidéo expliquant l’élaboration entièrement automatisée de ces petites machines. Mais le but n’est pas seulement d’imiter le vol des insectes. Les chercheurs comptent surtout réussir à reproduire le comportement collaboratif d’un essaim d’abeille. Ils comptent donc les équiper de capteurs et de caméras pour permettre à chaque robot-abeille de collecter des données pouvant être transmises entre abeilles ou directement à la « ruche », c’est-à-dire le poste de commande des machines. Les chercheurs comptent répartir les tâches de repérages, d’exploration et de cartographie entre les groupes d’abeilles, comme dans une véritable colonie. De quoi effectuer des repérages dans des zones difficiles d’accès ou irradiées mais aussi surveiller des cultures et les ensemencer ou encore mesurer l’évolution du climat dans des espaces restreints.

De la termitière au centre commercial

Les termites ne sont pas seulement capables de détruire les habitations. Ils sont aussi de redoutables architectes. Les termitières ont en effet une température quasiment uniforme, même lorsque le thermomètre extérieur alterne entre la canicule et les nuits froides. Une capacité qui convient particulièrement à Harare, la capitale du Zimbabwe, une ville qui connaît d’importants changements de température quotidien.

L’architecte Mick Pearce a étudié pendant plusieurs années le fonctionnement des termitières et s’en est inspiré pour construire l’Eastgate building, un immense immeuble qui surplombe Harare. Bâti en 1996, c’est la première construction de cette taille qui s’inspire entièrement d’une invention de Dame nature.

Plutôt que de chauffer puis climatiser le bâtiment, l’architecte a voulu, comme les termites, faire de cette particularité climatique un avantage. Il a mis en place un système de climatisation passive. Le bâtiment, qui a une grande capacité thermique, absorbe la chaleur tout au long de la journée. Dans le même temps, de nombreuses ouvertures permettent à l’air d’entrer par le bas du bâtiment, tandis que de grandes cheminées permettent d’évacuer l’air chaud qui remonte par convection. Cette installation créé un courant d’air naturel, accéléré plusieurs fois dans la journée en activant des ventilateurs. La nuit, quand l’air est plus froid que le bâtiment, les murs diffusent peu à peu la chaleur qu’ils ont emmagasiné pendant la journée, ralentissant le refroidissement du bâtiment. Et une partie de l’air frais qui s’engouffre est stocké dans les dalles du bâtiment, ce qui ralentira le réchauffement le lendemain. L’immeuble consomme ainsi 90% d’énergie de moins que la moyenne, assure son concepteur.

Du moustique aux aiguilles médicales indolores

La piqûre est à la fois l’une des choses les plus utiles et les plus détestées au monde. Une partie de la population en devient même achmophobe : l’idée même de se faire piquer donne de l’urticaire. Bien que nuisible, une autre piqûre reste elle le plus souvent indolore : celle du moustique. Pour mettre fin à ce paradoxe, deux sociétés japonaises (Terumo Corporation et Okano industrial corporation) ont décidé de copier la trompe du moustique pour réaliser des aiguilles médicales. Ils ont donc opté pour des aiguilles à forme conique, comme la trompe du moustique, et non plus cylindrique. Ils ont également réussi à rétrécir la taille des aiguilles, ce que beaucoup de concepteurs jugeaient impossible à l’époque. Mission réussie en 2005, en changeant la méthode de production des aiguilles. Les seringues Nanopass33 sont aujourd’hui vendues à plusieurs millions d’exemplaires dans le monde.

Des centaines d’autres exemples

Des yeux de mouche pour aider les aveugles à la combinaison Speedo inspirée du requin, des centaines de projets de ce type sont en développement. En 2009, les 100 technologies les plus prometteuses ont été recensées dans un livre par l’institut Zeri, The Blue Economy, avec un plan d’action : dix ans, 100 technologies, 100 millions d’emplois. Utopique ? Déjà 150 entreprises ont été créées grâce à ces idées. Et en France ? « Tous les dirigeants européens que je rencontre se montrent intéressés par cette philosophie, mais peu osent passer à l’action. C’est beaucoup plus facile en Amérique du Sud ou en Asie », constate Gunter Pauli. Mais des projets sont en cours dans l’Hexagone, surtout dans les PME, soutient Emmanuel Delannoy. Celui-ci cite notamment un projet de conversion de la biomasse en nourriture animale à Châteauneuf-les-Martigues (Bouches-du-Rhône), ou encore un concept de cycle de traitement des eaux usées sans produits chimiques ni déchets dans le même département.

Chez Airbus, la nature reste une source d’inspiration

Aérodynamisme, économies d’énergie, nouveaux matériaux... Les concepteurs d’avions et autres aéronefs continuent d’apprendre beaucoup des performances de la nature. Après les oiseaux, les mondes marin et végétal seront les principaux gisements d’inspiration. Entretien avec Denis Darracq, chef de la Recherche et Technologie Physique du Vol chez Airbus.

Usine Nouvelle : La nature reste-t-elle toujours une source d’inspiration pour les avionneurs ?

Denis Darracq: Certainement, mais en ce qui concerne les formes externes de l’avion, par exemple la voilure, je pense que nous avons acquis l’essentiel des enseignements de la nature. Les lois de l’aérodynamique, nos outils d’optimisation de forme combinés à la puissance de la simulation numérique nous permettent d’avancer vers plus de performance encore.

Cependant la nature reste une source d’inspiration d’Airbus pour réduire encore la consommation de carburant. Deux axes aux échelles très différentes restent très prometteurs:

Tout d’abord un axe macroscopique, qui considère les formes de l’avion dans son ensemble et surtout l’adaptation des formes de cet avion, une géométrie variable en quelque sorte, c’est-à-dire des surfaces qui se déforment de façon active pour offrir les meilleures performances aérodynamiques et de contrôle de charge pour chacune des conditions de vols rencontrées: décollage, montée, croisière, approche, atterrissage, manœuvre, rencontre de turbulence, etc. C’est ce que réalisent à merveille, oiseaux, poissons et mammifères marins. C’est ce que nous appelons le « morphing », a lui seul ce mot trahit bien le lien avec le monde animal. L’idée est de passer d’un monde « rigide » à des technologies de flexibilité et d’adaptation.

L’autre axe plus microscopique, concerne les nouvelles surfaces et des nouveaux matériaux qui possèdent par exemple des propriétés autonettoyantes (comme les feuilles de lotus), des propriétés de cicatrisation (autoréparation de fissures), des propriétés de très faible adhérence (contre le givrage des voilures) ou de faible frottement aérodynamique. Par exemple on a beaucoup étudié, les « riblets » qui s’inspirent directement de la peau des requins. Je suis persuadé que ces nouveaux matériaux offrent des perspectives révolutionnaires, même si les challenges techniques d’industrialisation restent nombreux.

Quels sont les principaux exemples de biomimétisme aéronautique ?

Au fil de l’évolution les oiseaux ont développé un mécanisme de contrôle actif local de l’écoulement d’air sur l’aile. Ce même principe est appliqué sur la voilure des avions Airbus à travers l’extension de spoilers sur la voilure qui assure le contrôle de la portance lors de la rencontre de rafales de vents. Le déploiement et la rétraction des systèmes d’hypersustentations (volets, becs) en basse vitesse permettent de contrôler simultanément le freinage (traînée aérodynamique) et l’élévation (portance).

Plus spectaculaire encore, chez certains oiseaux de mer, ce dispositif est couplé à une fonction de détection des rafales par le bec de l’animal. De la même façon, des senseurs localisés sur la pointe avant de l’A350 XWB permettent d’anticiper l’activation des surfaces de contrôle pour une meilleure efficacité.

Les ailettes quasi verticales (ou winglets) en extrémité de voilure améliorent l’efficacité du vol pour une envergure donnée sont directement inspirées de la forme des ailes de l’aigle des steppes. Ce principe permet d’accommoder l’A380 aux limites aéroportuaires tout en garantissant d’excellentes performances aérodynamiques. De la même manière l’A320 sera prochainement équipé de grandes ailettes («sharklets») qui augmenteront encore son efficacité aérodynamique ce qui conduira à une réduction de la consommation et des émissions.

Quels sont les travaux en court chez Airbus inspirés du biomimétisme ?

Sur ces sujets nous travaillons essentiellement en partenariat avec le monde de la Recherche. Nous développons, testons et validons de nouvelles technologies de morphing inspirées des oiseaux. Dans le domaine des nouveaux matériaux, le monde animal marin peut beaucoup nous apprendre. La peau des requins n’est pas lisse mais au contraire composée de microscopiques structures en forme de rainures. Des études détaillées ont montré que ces structures réduisent le frottement de l’écoulement sur le requin améliorant ainsi son efficacité énergétique et sa vitesse. Des essais en vol ont confirmé que de telles surfaces réduisent effectivement le frottement aérodynamique, donc la consommation et les émissions de CO2 des avions. Environ 70% de la surface de l’avion pourrait en être recouvertes. La réduction de trainée et donc de consommation de carburant serait significative, avec un gain de pourcentage à un seul chiffre, ce qui reste une performance pour des produits extrêmement optimisés d’un point de vue aérodynamique comme nos avions. Il reste toutefois des défis à résoudre comme la fabrication et la maintenance (résistance à l’érosion) de panneaux de fuselage ainsi constitués. Plusieurs options techniques sont envisageables : des surfaces adhésives, des peintures spéciales ou encore un traitement particulier de la surface.

A-t-on des choses à apprendre du monde végétal ?

Oui. Leurs propriétés intéressent beaucoup les avionneurs. La surface des feuilles de lotus possède par exemple la remarquable capacité de rester propre et sèche dans une atmosphère humide: l’eau de pluie n’adhère absolument pas à la surface et entraîne toute impureté. De telles surfaces «hyperhydrophobes» sont à l’étude pour des utilisations potentielles de protection de l’avion au givrage ainsi que pour réduire la maintenance des cabines. Les perspectives d’application sont nombreuses. Nous exploitons également les algorithmes génétiques pour résoudre certain problèmes d’optimisation, mais des tels outils ne sont pas spécifiques au monde aéronautique.

Y-a-t-il des experts consacrés au « biomimétisme » chez Airbus ?

Pas forcément des experts 100% dédiés au biomimétisme, car il ne s’agit pas d’une discipline scientifique à part entière mais plutôt une approche. De toute façon, les innovations, les nouvelles technologies sont souvent le fruit de l’hybridation de diverses disciplines. Un chercheur, un ingénieur Airbus doit donc rester ouvert à toute source d’inspiration.

Les experts de la recherche des différents métiers de l’Engineering (physique du vol, structure, systèmes, Futur Projets, etc) assurent une veille technologique permanente et les solutions de la nature font bien entendu partie de l’éventail des possibilités. Au cours des 40 dernières années les innovations techniques ont permis de réduire de 70% la consommation de carburant des avions et leurs émissions, et de 75%, le bruit des appareils. Pour continuer de telles avancées, le biomimétisme est une approche intéressante pour Airbus car le monde vivant a développé des solutions extrêmement sophistiquées qui sont particulièrement optimales en termes d’efficacité et d’économie d’énergie.

La disparation de toute espèce vivante ferme -peut-être à jamais- de nouvelles opportunités de savoir qui permettraient de réduire l’empreinte de l’homme sur son environnement. C’est pourquoi la préservation de la biodiversité reste une préoccupation majeure d’Airbus dans sa quête d’un transport aérien durable.

www.usinenouvelle.com

Les termitières valent de l'or

 

La mosquée de Djenné au Mali.
(Photo : Claude Verlon/ RFI)

Une nouvelle science, le bio-mimétisme, s’inspire du fonctionnement naturel des écosystèmes pour résoudre des problématiques humaines. Ainsi, par exemple, les architectes s’intéressent de près à la manière dont les termites construisent leurs édifices et les orpailleurs se fient aux indications géologiques fournies par les termitières. Rencontre avec Maximilien Quivrin, entomologiste, spécialiste des insectes sociaux.

Récemment, dans le journal brésilien Gazeta Mercantil, Achim Steiner, directeur général du Programme des Nations unies pour l'environnement (PNUE), révélait que « les termites hébergent des bactéries capables de transformer de manière efficace et économique les déchets de bois en sucres pour la production d'éthanol ».

Depuis la nuit des temps, les populations autochtones tirent partie de la qualité de la terre des termitières : riche en minéraux et en matière organique, ils l’exploitent comme engrais, en pratiquant l’épandage sur les champs cultivés ; dotée de propriétés analogues à l’argile blanche ou au kaolin, cette même terre est utilisée comme cataplasme, pour ses vertus reminéralisantes et détoxifiantes, propre à soulager les douleurs articulaires, réparer des fractures osseuses et soigner des troubles digestifs.

Mais ce que l’on sait moins c’est l’intérêt que représente ces constructions élaborées par des insectes sociaux ingénieurs et bâtisseurs. Depuis la nuit des temps, l'esthétique des termitières inspirent les hommes et, depuis quelque trois décennies, les architectes s'intéressent au fonctionnement naturel de cet écosystème, construisant « des bâtiments qui, selon leur structure, s'avèrent consommer de 50% à 90% moins d'énergie qu'un bâtiment classique équivalent », explique Maximilien Quivrin.

www.rfi.fr

La biorobotique expliquée...