Biomimétisme

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Ce lichen du genre Xanthoria (X. polycarpa probablement) survit en milieu très sec et à une exposition intense aux UV grâce à l'association entre l'algue unicellulaire et le champignon qui le constituent. Il est une source d'inspiration pour le biomimétisme. De plus, dans le cas présent, il pourra être transporté sur de grandes distances par le propagule de bardane qu'il a colonisé. Ce sont les crochets de cette bardane qui ont inspiré l’inventeur du Velcro

Cet article est une ébauche concernant la thématique de biomimétisme car elle fait un amalgame entre bionique et biomimétisme en omettant de situer le biomimétisme dans une logique de développement durable.

Le biomimétisme désigne le transfert et l'application de matériaux, de formes, de processus et de propriétés remarquables observées à différentes échelles du vivant, vers des activités humaines[1]. C'est un domaine émergent de la recherche qui comprend des sous-domaines tels que la bionique et la bioassistance, l'architecture biomimétique[1].

Il s'agit d'une ingénierie inspirée du vivant qui cherche à tirer parti des solutions et inventions produites par la nature (les écosystèmes, les services écosystémiques) ; solutions sélectionnées parmi de nombreuses autres depuis 3,6 milliards d'années, efficace d'échelles nanométriques aux échelles macroscopiques et écosystémiques.

Étymologie, vocabulaire[modifier | modifier le code]

  • Le terme vient du grec, bios (vie) et mimesis (imiter). C'est Otto Schmitt (universitaire et inventeur américain) qui aurait forgé le néologisme anglais biomimetics (biomimétisme pour les francophones) pour décrire la notion de transfert de processus de la biologie à la technologie.
    La savante et auteur Janine Benyus vulgarise ensuite le biomimétisme dans son livre de 1997 où elle invite à considérer la nature comme modèle, mesure et mentor, en insistant sur l'importance d'associer la soutenabilité à l'utilisation du biomimétisme
  • En 1960 le mot bionique existait, mais plutôt associé à des parties du corps humain actionnées par des moyens électroniques ;
  • Les technologies biomimétiques s'inspirent d'organismes vivants, de propriétés de leurs tissus, de leur génome, etc. Elles sont par exemple utilisées dans un grand nombre de domaines industriels, et semblent avoir un bel avenir dans les secteurs agricole, forestier, de la construction[1].
  • L’écomimétisme s'appuie plus largement sur l'étude de fonctionnements écosystémiques permettant de reproduire les conditions et avantages de systèmes souvent écologiquement très efficients[1].

Enjeux[modifier | modifier le code]

Enjeux environnementaux : Face à la crise tant économique qu'écologique liée à la surexploitation des ressources naturelles, de nombreux chercheurs, architectes, industriels, prospectivistes et certains gouvernements estiment que le biomimétisme pourrait aussi être un vecteur de mutation, d'une économie « carbonée », très polluante et consommatrice d'espace, d'énergie et de ressources naturelles minérales vers une « économie verte » s'appuyant sur des technologies simples, propres, sûres et sobres, une transition énergétique, voire vers la transition écologique et sociale.

Enjeux socioéconomiques : Les enjeux sont aussi économiques (un rapport américain évalue à 1000 milliards de dollars en 2025 ce que pourrait être le marché du biomimétisme[1]),

Enjeux éthiques : Le biomimétisme peut être source de progrès, mais il pourrait être aussi utilisé pour produire de nouvelles armes militaires ou économiques, ou contribuer à de nouveaux gaspillages de ressources. Et quand les transferts se font vers l'industrie des nanotechnologies ou des biotechnologies, des risques nouveaux ou émergents en termes de santé environnementale et/ou pour les écosystèmes sont à prendre en compte. Des problèmes complexes d'éthique environnementale se posent, avec notamment

  • le partage des connaissances et des bénéfices face aux récentes possibilités de brevetage du vivant. Ce brevetage peut déposséder les populations autochtones et les détenteurs de savoirs traditionnels au profit de quelques grandes multinationales ; il peut aussi priver des populations pauvres des retours de certaines inventions s'inspirant de la nature, mais brevetées.
  • le biomimétisme n'est pas gage de soutenabilité. Comme le souligne le rapport du CGDD (2012), une "invention de la nature" isolée de son contexte peut perdre son intérêt écosystémique, voire être contreproductive, surtout si elle n'est pas inscrite dans un processus "circulaire" où la matière n'est pas intégralement recyclée. Chaque invention dans ce domaine devrait faire l'objet d'une ACV affinée[1].

Historique[modifier | modifier le code]

Il est probable que depuis le début de la Préhistoire, les humains, en observant le monde vivant, y ont trouvé de nombreuses réponses à des problèmes simples et complexes. La nature a en effet spontanément[réf. nécessaire] résolu de nombreux problèmes d'ingénierie, tels que l'hydrophobicité (repoussée de l'eau), la résistance au vent, l'autoassemblage et la capture de l'énergie solaire grâce aux mécanismes produits par l'évolution.

Un exemple ancien et fréquemment cité du biomimétisme est l'étude des oiseaux faite pour permettre aux humains de voler ou planer. Bien qu'il n'ait jamais réussi à créer une machine volante, Leonardo da Vinci (1452-1519) tenait à observer l'anatomie et le vol des oiseaux, en rédigeant maintes notes et esquisses, en plus des dessins de ses machines volantes. Les frères Wright, pionniers du premier aéronef plus lourd que l'air en 1903, se sont inspirés des pigeons en vol et d'autres inventeurs, des chauve-souris.

Otto Schmitt, qui aurait inventé le mot biomimétisme (en anglais: biomimetics) pour décrire le transfert des processus de la biologie vers la technologie a inventé la bascule de Schmitt en tentant d'imiter la transmission des signaux par les nerfs.

Principes et méthodes[modifier | modifier le code]

Le biomimétisme cherche à :

  • comprendre et reproduire les mécanismes sous-jacents à la biodiversité en jeu en termes de résilience écologique, robustesse, productivité, efficacité énergétique, stabilité, auto-organisation, communication intracellulaire, intercellulaire, interorganisme, intrapopulationnelle, etc.[1]
  • reproduire en laboratoire des comportements qui,autrement, resteraient noyés dans la complexité du réel. De telles études s'appuient notamment sur la biophysique ;
  • mieux accéder aux échelles microscopiques et nanoscopiques, pour observer et reproduire de nouvelles structures et interfaces moléculaires capables de reproduire certaines fonctions de l’organisme pour le soigner, le commander, au moyen de nanosondes ou nanovecteurs intelligents. Il s'agit aussi, dans ce cadre, d'améliorer l'imagerie moléculaire, produire des matériaux biocompatibles, développer de nouvelles interfaces homme-environnement (NBIC), pour une réalité augmentée, etc.
  • s'inspirer de l'organisation des écosystèmes et des interactions entre des êtres vivants, pour améliorer les technologies et leurs interfaces avec l'Homme.

Biomimétisme à l'échelle naine[modifier | modifier le code]

L'imitation des structures biologiques à l'échelle microscopique ou nanométrique s'appelle le « nanobiomimétisme ». La nature fournit une énorme gamme de structures à cette échelle qui peuvent servir de modèle pour la création de nouveaux matériaux (ex : Spongilla lacustris éponges d'eau douce capables de filtrer l'eau (70 fois son poids en eau chaque minute) tout en l'oxygénant grâce à une symbiose avec des micro-algues, alors qu'une autre éponge (éponge marine) produit spontanément des fibres optiques siliceuses bien plus souples que celles produites par l'Homme, et à basse température. Grâce aux études du nanobiomimétisme, on a pu produire des composants clés d'appareils nains comme les nanofils, les boîtes quantiques et les nanotubes d'une manière efficace et simple par rapport aux techniques lithographiques conventionnelles. Beaucoup de ces structures inspirées par la nature se retrouvent déjà dans les détecteurs, les panneaux photovoltaïques, les systèmes de filtrage, l'isolement et des utilisations médicales. Le nanobiomimétisme implique une étroite collaboration entre biologistes, écologues, ingénieurs, physiciens et experts en nanotechnologies.

Techniques d'affichage[modifier | modifier le code]

Morpho butterfly.
Le papillon Morpho prête son bleu vif à la couleur structurelle.

Les structures menues tracées dans la surface de certains organismes, auxquelles ils doivent leur coloration, peuvent être empruntées par les écrans, le camouflage, les fenêtres et les circuits optiques. Ces couleurs structurales sont dues au brouillage des ondes de lumière frappant la surface, plutôt qu'aux pigments[2]. Ces surfaces comprennent des crêtes, nervures, lamelles et côtes, parfois disposées sur plusieurs couches que les ingénieurs cherchent à imiter pour mettre au point l'affichage à basse consommation.

Modèles biomimétiques en biophysique moléculaire[modifier | modifier le code]

Il s'agit en général de reconstitutions d'un système biologique microscopique à partir de ses composantes élémentaires, en vue de reproduire tout ou partie du comportement réel. Les composantes couramment utilisées sont :

  • Des protides, nucléotides, glucides et lipides auparavant isolés et purifiés
  • Des solutions salines caractéristiques du milieu étudié (intérieur d'une cellule par exemple)
  • Des éléments permettant l'observation (marqueurs fluorescents par exemple)
  • Des surfaces éventuellement traitées
  • Des composantes inorganiques utilisées pour leurs propriétés géométriques ou mécaniques (billes de latex par exemple)

Construire un modèle biomimétique peut permettre de valider des hypothèses sur le fonctionnement du système. Cependant, étant donnée l'extrême complexité des systèmes en biologie cellulaire ou moléculaire, leur utilisation doit se limiter à des cas très particuliers, et ils restent toujours assujettis à des expériences menées sur les systèmes réels.

En biophysique moléculaire, on désigne souvent les expériences de biomimétique par le terme in vitro. Cela s'entend par opposition aux expériences menées dans des cellules vivantes (in vivo). Cependant, toutes les expériences sur cellules uniques sont, au sens strict, menées in vitro.

Voici quelques exemples d'expériences relevant de la biomimétique :

Biomimétique des écosystèmes[modifier | modifier le code]

Cette approche est axée non sur l'utilisation des ressources naturelles, ou la copie d'éléments naturels, mais plus profondément sur ce que l'on peut apprendre du fonctionnement de la biosphère et de l'évolution et de l'adaptation des espèces et des écosystèmes[3]. L'approche est plus holistique. Elle implique une nouvelle approche dans la façon de voir, et suscite de nouveaux modes d'estimation de la « valeur » de la nature, de la valeur de la biodiversité et des services qu'elle fournit.

C'est Janine Benyus qui, au début des années 1990, a permis l'émergence de cette nouvelle approche avec son ouvrage Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. D'après cette biologiste, les leçons que nous donne la nature sont notamment que la nature [4] :

  • utilise une source d'énergie principale : l'énergie solaire ;
  • n'utilise que la quantité d'énergie dont elle a besoin ;
  • adapte la forme à la fonction ;
  • recycle tout ;
  • récompense la coopération ;
  • parie sur la biodiversité ;
  • exige une expertise locale (les chimpanzés sachant trouver leurs médicaments dans leur environnement) ;
  • limite les excès de l'intérieur ;
  • utilise les contraintes comme source de créativité.

Janine Benyus insiste sur la capacité de la nature à synthétiser et structurer la matière organique ou minérale (ex : coquille) via des processus d'autoassemblage de matière à laquelle le vivant intègre de l'information[3]

Exemples d'utilisation[modifier | modifier le code]

Le velcro est inspiré de plantes disposant de propagules munis de crochets menus et souples comme ici la « benoîte commune » (Geum urbanum). Mais d'autres plantes produisent des crochets plus grands et plus durs (ex: bardane). Ces crochets leur permettent de faire transporter leurs graines par des animaux (ou nos vêtements)
  • La phytoépuration et la fongoremédiation, ou la plupart des stations d'épuration s'inspirent des écosystèmes pour épurer l'eau, l'air et les sols ;
  • L'aquaculture multi-trophique intégrée (ou IMTA :Integrated multi-trophic aquaculture pour les anglophones) est notamment testée en Norvège et au Canada[5]. Elle s'inspire du fait qu'en mer, algues, filtreurs et animaux sont complémentaires, les uns consommant les déchets des autres, les filtreurs épurant l'eau. Elle pourrait être associée à un récif artificiel et/ou à un dispositif de concentration du poisson ;
  • Le velcro est inspiré des crochets du propagule renfermant les graines de la bardane ;
  • La soie d'araignée est un polymère dont la configuration moléculaire peut varier et rapidement s'adapter à la température et l'humidité. Elle est notamment capable de « Supercontraction » (de 10 à 140 MPa de tension) quand elle s'humidifie (en plusieurs minutes quand l'hygrométrie dépasse 70 %), et plus rapidement quand elle est subitement mouillée[6] ;
  • Les turboréacteurs créés sur le modèle du nautile ;
  • Les parois de douche, les fenêtres auto-nettoyantes et certains revêtements de l'industrie aéronautique[7] ont été créées grâce à la découverte de "l'effet lotus" ;
  • Certains types d'éco-habitat reprennent les principes des termitières, et pourraient dans le futur utiliser les progrès de la construction par fabrication additive (« architecture imprimée ») ;
  • En créant des pantographes en formes d'ailes reproduisant la structure de celles du hibou, le bruit du Shinkansen est diminué, pour le confort des passagers. De plus, le profil des motrices de ce train est analogue au bec du martin-pêcheur ;
  • des robot-poissons ou robot-méduses[8] capables de se déplacer dans l'eau, des robots pouvant voler marcher ou courir comme un animal (en portant de lourdes charges, parfois), ou capables d'explorer des environnements radioactifs ou extraplanétaire sont mis au point aux États-Unis dont par divers acteurs (ex : JPL, SCHAFT Inc, CMU NREC, l'Université de Drexel, le RoMeLa[9] de Virginia Tech[10] pour le compte de la Nasa/JPL et/ou l'armée (via le DARPA) et en lien avec le MIT (MIT Robot Locomotion Group[11]) des spécialistes de l'intelligence artificielle et des interfaces homme-machine (ex : « Florida Institute for Human and Machine Cognition » ou IHMC). La plupart des prototypes de ces robots sont plus ou moins inspirés d'organismes animaux ou de l'organisme humain) ;
  • des micro-robots marchent sur l'eau comme les gerris, en exploitant la tension superficielle de l'eau ;
  • Des chercheurs du CNRS ont mis au point des « micro-nageurs artificiels »[12] se déplaçant par biomimétisme, cette découverte laisse entrevoir de possibles innovations dans le domaine de la médecine car ces micro-nageurs peuvent transporter de petites quantités de médicaments à travers les vaisseaux sanguins ;
  • Un système (Wi track) évoquant d'écholocation, mais basé sur des ondes radio passant à travers les murs mais réfléchie par le corps humain, permet de repérer la position et les mouvements du corps humain "à travers les murs" et de commander des objets à distance, dont au travers d'un mur[13]
  • La structure métallique de la tour Eiffel présente des analogies avec celle du fémur[14][réf. insuffisante] ;
  • La combinaison de natation Fastskin s'inspire de l’épiderme du requin mako ;
  • Les essais de la compagnie Lufthansa pour améliorer le glissement dans l'air[15] du fuselage des Airbus A340-300 grâce à un vernis à effet "peau de requin" ;
  • La carapace chitineuse des scarabées Stenocara a inspiré des systèmes de récupérateur d'eau dans l'air (collecteur de rosée) ;
  • Après plusieurs décennies de recherche sur le traitement du signal d'écholocation chez les cétacés et les chauves-souris les neurosciences comprennent mieux comment ces animaux différencient des objets d'intérêt dans un environnement et un arrière-plan complexes, via les échos qu'ils reçoivent (par l'ouïe) et un processus dit « temporal binding ». Ces mécanismes pourraient « conduire à des technologies sonar et radar intelligents » selon un article paru dans le Journal of Experimental Biology[16] ;
  • Des chercheurs tentent de développer des biocatalyseurs permettant la production de protéines ou polymères minéraux (biominéralisation) à froid, à pression ambiante et dans de l'eau. On tente aussi de créer des systèmes de production d'hydrogène ou d'électricité imitant le processus de photosynthèse. Un filtre à eau ultra-pure pourrait être constitué de membranes et portes protéiques imitant les systèmes à l'œuvre dans la nature[17].

Dans le monde[modifier | modifier le code]

Le biomimétisme - Architecture influencé par les systèmes de natur. Exposition des bâtiments et projets de l'architecte Moti Bodek, Potsdam Allemagne 2014

Le Biomimicry Institute créé par Janine Benyus a beaucoup contribué à diffuser ce concept, de même qu'en Europe le Biomimicry Europa et l'ICDD. Ainsi que pour des réunions internationales telles qu'à Boston en 2011[18]. Quelques pays semblent plus avancés dans ce domaine, tels l'Allemagne (base du réseau BIOKON International), le Royaume-Uni, les États-Unis et le Japon[1].

Le projet de la ville nouvelle de Mugaon à Lavasa (en) en Inde est le premier à intégrer les principes du biomimétisme à une ville entière[19].

En France[modifier | modifier le code]

C'est une piste proposée en 2012 par le Commissariat général au développement durable et le Ministère chargé de l'écologie [1]. En 2007, un rapport du Sénat y voit « l'une des boîtes à outils de la quatrième révolution industrielle »[20]. Et en 2012-2013, ce thème a été sous la houlette de Dominique Dron l'une des actions des 5 chantiers transversaux du CGDD et de 3 de ses entités (DDD, DRI, SEEID), visant une « économie verte, résiliente et équitable »[1]. Il intéresse certains pôles de compétitivité, dont naturellement le Pôle Fibres.

Depuis fin 2011, l'AFNOR travaille sur un projet international de normalisation du biomimétisme, suite à une demande de l'Institut allemand de normalisation (DIN) faite en mai 2011 à l'Organisation internationale de normalisation (ISO).

En 2013, avec l'aide de l'Union européenne[21], la CCI région Nord de France a décidé d'aider 20 PME (via un accompagnement gratuit, après sélection de réponses à un appel à candidatures) à augmenter leur résilience en tant qu'atout « pour s’adapter, anticiper et apprendre afin de trouver des réponses favorables face à l’évolution de son environnement. Pour cela, l’entreprise s’inspirera, dans la mesure du possible, des modèles mis en œuvre par la Nature, ses écosystèmes faisant preuve d’une grande capacité d’adaptation depuis des millions d’années… »[22].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d, e, f, g, h, i et j [CGDD] (2012), Étude sur la contribution du biomimétisme à la transition vers une économie verte en France : état des lieux, potentiel, leviers ; Études et documents - Numéro 72 - Octobre 2012 ; PDF, 160 p (résumé)
  2. Ball, Philip, « Scientific American », Nature's Color Tricks, vol. 306,‎ mai 2012, p. 74–79 (DOI 10.1038/scientificamerican0512-74, lire en ligne)
  3. a et b TEED, Janine Benyus shares nature's designs (vidéo tournée en février 2005, mise en ligne en 2007, en anglais, avec sous-titrage à la demande), et biographie
  4. Wanderings Biomimicry - Innovation Inspired by Nature - by Janine Benyus, consulté 2012-06-17
  5. Torkil Marsdal Hanssen, Thomas Keilman. Nutrients from farmed salmon waste can feed new marine industry (Integrated multi-trophic aquaculture (IMTA))
  6. Ingi Agnarsson, Cecilia Boutry, Shing-Chung Wong, Avinash Baji, Ali Dhinojwala, Andrew T. Sensenig et Todd A. Blackledge ; Supercontraction forces in spidernext term dragline silk depend on hydration, doi:10.1016/j.zool.2008.11.003 (Résumé)
  7. Quand la NASA s'inspire de la sagesse du lotus , novembre 2009
  8. Robot-méduse pour la Navy (Virginia Tech: Autonomous Robotic Jellyfish from virginiatech on Vimeo)
  9. Robotics and Mechanisms Laboratory (Virginia Tech)
  10. Virginia Tech takes on Department of Defense challenge to build disaster-response robots, 2012-10-24, consulté 2014-01-11
  11. MIT Robot Locomotion Group, au sein du CSAIL Center for Robotics au sein du Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL)
  12. micro-nageurs artificiels
  13. Through-Wall 3D Tracking Using Body Radio Reflections, consulté 2014-01-13
  14. La tour Eiffel de Gustave Eiffel, TPE biomimétisme et chimie
  15. [1]
  16. Orenstein D (2014), Bats bolster brain hypothesis, maybe technology, too ; 2014-08-15, consulté 2014-08-25,
  17. Bulletin Ambassade de France au Danemark, mai 2008
  18. Conférence Bionic Engineering de Boston (18-20/09/2011)
  19. (en) Leslie D'Monte & Shivani Shinde, « India's first intelligent city takes root near Pune », sur business-standard.com,‎ 8 juillet 2010
  20. Laffitte P., Saunier C.,(2007), Les apports de la science et de la technologie au développement durable , Tome II : La biodiversité : l'autre choc ? l'autre chance ? , Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques
  21. Cadre : projet ResilieNtWEB (mai 2012 → mai 2015), aidé par le programme européen Interreg IVb.
  22. Révélez le potentiel d'adaptation de votre entreprise, Appel à candidature régional (18 février- 30 mars 2013)]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Arciszewski (T), Kicinger (R) La génétique au service des architectes. Pour la science no 363, p. 32-38, schémas -01/01/2008
  • Benyus, Janine M. (2011) Biomimétisme. Quand la nature inspire des innovations durables, Paris, éditions Rue de l'échiquier.
  • Le biomimétisme, un art de l'innovation durable, ParisTech Review, avril 2012.
  • Bourdet J (2010) A la chasse aux couleurs. Journal du CNRS, p. 16-18 - 01/12/2010
  • Chaigne A, Goubet F, Guillon V, Sciama Y (2010) Intelligence de la nature. Les ingénieurs s’y intéressent enfin ; Science et Vie, p. 46-65 - 01/05/2010
  • CGDD (2012), Biomimétisme, Dossier du CCGG, février 2012, PDF, 7p
  • Chekchak T (2011) Biomimétisme, la nécessaire resynchronisation de l’économie avec le vivant. Écologie et politique no 43, p. 161-166 - 01/11/2011
  • Laffitte P, Saunier c (2007) Les produits bio-techniques et bio-inspirés. In : http://www.assemblee-nationale.fr/13/dossiers/biodiversite_choc_chance.asp Les apports de la science et de la technologie au développement durable] - Tome II : la biodiversité, l'autre choc, l'autre chance ? OPECST (Office parlementaire des choix scientifiques et technologiques) ; OPECST, p. 132-137 - 12/12/2007
  • Usine nouvelle Quand la robotique s'inspire de la nature ; article de L'Usine nouvelle, no 2968, p. 1-3 - 16/06/2005
  • Colrat M (2005) Imiter la nature. La biomimétique en Allemagne. Technologies internationales no 112, p. 15-18 - 01/03/2005
  • Le temps (2009) Le pari de Janine Benyus, Le Temps, p. 1-2 - 06/11/2009
  • Le temps (2010) Enquête – Biomimétisme : quand la science s'inspire de la nature. « La nature propose des solutions extraordinaires ». Le Figaro magazine, p. 1-5 - 18/09/2010 Biomimétisme : une nécessité de « réécrire l'histoire des choses ». Le Temps, p. 1-2 - 01/07/2010
  • Le temps (2011) Biomimétisme. La nature, ça vous inspire. Industrie et Technologies no 937, p. 26-40 - 01/10/2011
  • Science magazine (2011) Le biomimétisme ou l’intelligence du vivant. Science magazine no 31, p. 68-69 - 26/07/2011
  • Novethic (2011) Le biomimétisme, un concept encore émergent. Novethic, p. 1-2 - 04/07/2011
  • Pauli, Gunter Pauli & Gauthier Chapelle (2011) Et la nature inventa la rupture. Terra eco, p. 29-31 - 01/01/2011
  • Trends(2008) Le biomimétisme : utopie écolo ou industrie du futur ? Copier le vivant pour flinguer le pétrole. Trends, p. 1-4 - 05/06/2008
  • Trends (2010) Biomimétisme. Trésors de la nature à l’usage des entreprises. Trends, p. 1-3 – 04/11/2010

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Ressources[modifier | modifier le code]

Laboratoires de recherche[modifier | modifier le code]