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 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 la propagule de bardane qu'il a colonisée. Ce sont 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^[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

• 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

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

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

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

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

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

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

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 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

Le velcro est inspiré de plantes disposant de propagules munies 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 de la 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-calmars^[8], robot-poissons ou robot-méduses^[9] capables de se déplacer dans l'eau, des robots disposants de tentacules souples (comme ceux d'une pieuvre)^[10] ou bien plus fins^[11], 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^[12] de Virginia Tech^[13] pour le compte de la Nasa/JPL et/ou l'armée (via le DARPA) et en lien avec le MIT (MIT Robot Locomotion Group^[14]) 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 »^[15] 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^[16]
• La structure métallique de la tour Eiffel présente des analogies avec celle du fémur^{[17][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^[18] 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^[19] ;
• 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^[20].

Dans le monde

Le biomimétisme - Architecture influencé par les « systèmes de la nature ». 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^[21]. 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 Inde est le premier à intégrer les principes du biomimétisme à une ville entière^[22].

• Biomimétisme - Architecture influencé par les systèmes de la nature, exposition des bâtiments et projets de l'architecte Moti Bodek, Potsdam, Allemagne. Mai 2014

En France

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 »^[23]. 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). L'ISO 18459:2015 spécifie déjà « les fonctions et domaines d'application des méthodes d'optimisation biomimétique » quand elles portent des problèmes de résistance de structures porteuses sous des charges statiques et de fatigue. ISO/DIS 18457 porte sur le biomimétisme appliqué à certains matériaux, structures et composants biomimétiques alors que la norme ISO/TC 266 classifie et définit le domaine et cadre la terminologie relative à la biomimétique « à des fins scientifiques, industrielles et éducatives »^[24],[25].

En 2013, avec l'aide de l'Union européenne^[26], 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… »^[27].

En 2015, avec près de 100 projets de recherche en cours^[28] et alors qu'une cinquantaine d'entreprises seraient déjà engagées dans cette approche^[28], un Centre européen d’excellence en biomimétisme (Ceebios) s'est implanté à Senlis en Picardie^[29]. Ce centre est présidé par Gilles Bœuf (également président du Muséum national d'histoire naturelle). Il vise à associer la recherche fondamentale d’État, la recherche appliquée, des entreprises et des ONG intéressées par le sujet, au sein d'un projet de développement économique et scientifique de cette science et technique émergente, en favorisant la transdisciplinarité^[29]. Il organise aussi des formations^[30]. Il est organisé en 4 pôles (Recherche, Congrès/conférences, formation et « Business Campus » (ouvert aux Start Up, PME et TPE, avec des bureaux, services associés et centre de télétravail)^[30].

Notes et références

Ressources

• (en) Biomimicry - Nature as model, measure and mentor
• (fr) Biomimicry Europa, Comité Français
• (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
• (fr) Le biomimétisme

Laboratoires de recherche

• Équipe de recherche en Biorobotique, Institut des Sciences du Mouvement, ISM, UMR CNRS - Aix-Marseille Université (France)
• Groupe Écologie des systèmes multitrophiques et biomimétisme, de l'IRBI à Tours
• Groupe Robotique Bio-inspirée de l'équipe Robotique de l'IRCCYN, Nantes

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