Biomimétisme

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 constitue. 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 son les crochets de cette bardane qui ont inspiré l'inventeur du Velcro

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. C'est un domaine émergent de la Recherche qui inclue des sous-domaines tels que par exemple la bionique et la bioassistance, l'architecture biomimétique... .

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 échelle macroscopiques et écosystémiques.

Étymologie, vocabulaire

• 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 d'idées 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 vivant, de propriétés de leurs tissus, de leur génome...). Elles sont par exemple utilisées dans un grand nombre de domaines industriels, et semblent avoir un large potentiel dans les secteurs agricoles, forestiers, de la construction.
• L’écomimétisme s'appuie plus largement sur l'étude de fonctionnements écosystémiques intéressants, pour reproduire les

conditions et avantages de systèmes souvent écologiquement très efficients.

Enjeux

Enjeux environnementaux : Face à la triple crise écologique, économique et de 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),

Enjeux éthiques : Le biomimétisme peut être source de progrès, comme il pourrait être 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 terme 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 bénéfice 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 mimant la nature, mais brevetées.
• le biomimétisme n'est pas gage de soutenabilité. Comme le souligne le rapport (2012) du CGDD, 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.

Historique

Il est probable que depuis le début de la préhistoire, les humains observent le monde vivant, et qu'ils y ont trouvé de nombreuses réponses à des problèmes complexes et simples. La nature a en effet spontanément 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 exemples ancien et fréquemment rapporté du biomimétisme est l'étude des oiseaux faite pour permettre aux humains de voler ou planer. Bien qu'il ne réussisse jamais à créer une machine volante, Leonardo da Vinci (1452-1519) tenait à observer l'anatomie et le vol des oiseaux, en faisant de nombreuses notes et esquisses, en plus de 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 des chauve-souris.

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

Principes et méthodes

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.
• reproduire en laboratoire des comportements autrement 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 dans ce cadre d'aussi 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

Bâtonnets de virus de la mosaïque du tabac pris par Microscope électronique à balayage

L'imitation des structures biologiques à l'échelle microscopique 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. 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 puisées dans la nature se matérialisent dans les détecteurs, les panneaux photovoltaïques, les systèmes de filtrage, l'isolement et des utilisations médicales. Le domaine du biomimétisme nain intéresse à plusieurs domaines et exige la collaboration entre les biologistes, ingénieurs, physiciens et savants de la nanotechnologie.

Techniques d'affichage

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 colorations, 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. 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

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 :

• La reconstitution du comportement de moteurs moléculaires, comme la kinésine. On peut observer une unique protéine de kinésine se déplaçant sur un microtubule, et mesurer par exemple la constante de dissociation, la force qu'elle est capable d'exercer le long du microtubule, ou encore la vitesse moyenne de déplacement.
• L'étude des mécanismes de polymérisation de l'actine ou de la tubuline. On a pu par exemple comprendre le mécanisme de propulsion des bactéries Listeria, en les remplaçant in vitro par des billes de latex sur lesquelles on peut faire polymériser des filaments d'actine de façon contrôlée.
• L'étude des propriétés de transport des membranes à travers leurs canaux ioniques. On peut reconstruire une bicouche lipidique sur un support artificiel (à la façon d'une bulle de savon) et ainsi contrôler très précisément les concentrations ioniques de chaque côté.

Biomimétique des écosystèmes

Cette approche est axé 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. 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  :

• 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 la quelle le vivant intègre de l'information

Exemples d'utilisation

Le velcro est inspiré de plantes disposant de propagules munis de crochets menus et souples comme ici la « benoite commune » (Geum urbanum). Mais d'autres plantes produisent des crochets plus grands et plus durs (ex: bardane). Ces crochets leurs 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 pour Integrated multi-trophic aquaculture pour les anglophones) est notamment testée en Norvège et au Canada. 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 ;
• Les turboréacteurs créés sur le modèle du nautile ;
• Les parois de douche, les fenêtres auto-nettoyantes et certains revêtements de l'industrie aéronautique ont été créées grâce à la découverte de "l'effet Lotus" ;
• Certains types d'éco-habitat reprennent les principes des termitières ;
• 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 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 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 ;
• La structure métallique de la tour Eiffel présente des analogies avec celle du fémur^{[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 du fuselage des Airbus A340-300 grâce à un vernis à effet "peau de requin" ;
• La carapace chitineuse des scarabés Stenocara a inspiré des systèmes de récupérateur d'eau dans l'air (collecteur de rosée)
• 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.

Dans le monde

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

En France

C'est une piste proposée en 2012 par le Commissariat général au développement durable et le Ministère en charge de l'écologie . En 2007, un rapport du Sénat y voit « l'une des boîtes à outils de la quatrième révolution industrielle ». Et en 2012-2013, ce thème a été sous l'égide 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 ». 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).

Voir aussi

Bibliographie

• Janine M. Benyus (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.

Articles connexes

• Bio-inspiration
• éthique environnementale
• biosynthèse
• efficience
• écomatériaux
• Imprimante 3D

Liens externes

• (en) Biomimicry - Nature as model, measure and mentor
• (fr) Biomimicry-Europa - Association pour la promotion du biomimétisme
• (en) « FOVEA Research Group » ^{(Archive • Wikiwix • Que faire ?)}. Consulté le 2013-04-27
• (en) Journal of Bionic Engineering
• (en) Bioinspiration & Biomimetics
• (en) Biomimicry Europa
• (en) Ask Nature, a project of the Biomimicry Institute
• (fr) scoop.it sur le Biomimétisme - News