Le biomimétisme, une boîte à outil prometteuse en matière de tribologie

Les performances tribologiques d'un produit et de ses composants internes est importante pour en prolonger la durée de vie, limiter l'usure et les pannes, ou tout simplement pour éviter les pertes mécaniques par frottement.

 

Malgré les améliorations passées, des progrès restent à faire notamment sur les surfaces frottantes. Dans l'automobile par exemple, il a été évalué que 17% de l’énergie de combustion est perdue dans les frottements mécaniques internes. Toutes les parties de la chaîne cinématique sont concernées : du moteur aux roues en passant par la transmission. 

 

Tout bénéfice amélioration permet également de limiter le bruit émis par un produit ou une pièce internet, et peut même palier aux pertes thermiques.

Experte en frottements, lubrification, et économie d’énergie, la nature possède un large savoir-faire dans ce domaine.
 

Pour se déplacer, les espèces doivent faire preuve de techniques efficaces pour minimiser l’énergie qu'elles utilisent. Que ce soit sur terre ou en mer, le vivant est spécialiste de la minimisation des frottements : sa traînée doit être réduite au maximum.

 

Les techniques de lubrification et réduction d’usure sont un art maîtrisé par les êtres vivants. Pour garantir leur survie et leur intégrité physique, elles doivent réduire au maximum l’endommagement dû au contact de l’environnement extérieur.

 

Pour se nourrir, le vivant a aussi mis au point de redoutables techniques de prédation et de capture : la nature regorge de pièges impitoyables et sans issue reposant entre autre sur des propriétés de lubrification exceptionnelles.

Spécialiste du domaine, Bioxegy vous explique pourquoi et comment le biomimétisme permet de concevoir des nouvelles approches et technologies en matière de tribologie. Nous vous livrons une sélection d'exemples particulièrement évocateurs. 

Les Nepenthes Alata : l'art de créer des surfaces anti-adhésives.

Les plantes carnivores se nourrissent d’insectes qui leur servent de compléments nutritifs. Chaque espèce a mis au point sa propre technique, à l’efficacité redoutable pour attirer, capturer et digérer ses proies. Les Nepenthes Alata sont une espèce dont la stratégie de capture est remarquable.

 

Au bout de chaque feuille se situe une urne pouvant atteindre plusieurs dizaines de centimètres de longueur, et qui constitue un piège redoutable pour chaque insecte. 

 

L’entrée du piège est recouverte d’un nectar attirant les insectes. Cela va les mener directement vers l’intérieur de l’urne où les parois sont tellement glissantes qu’il leur est impossible de s’y accrocher. Les insectes tombent alors dans la zone digestive où ils seront rapidement anesthésiés puis dissous.

 

D’où provient ces propriétés anti-adhésives ? Les parois internes de la zone glissante sont super-hydrophobes et microscopiquement rugueuses : elles sont recouvertes de cristaux de cire qui empêchent ainsi les insectes de s’y fixer. 

L’entreprise Adaptive Surface Technologies s’est inspirée de la microstructure de la zone glissante afin de créer un revêtement de surface anti-adhésif, ultra-répulsif et auto-cicatrisant. 

 

Nommé SLIPS ®, ce revêtement liquide est applicable à une large gamme de matériaux comme les métaux et les céramiques, et repousse toutes sortes de liquides et de particules d’encrassement ce qui lui donne des performances inégalées, notamment par rapport aux surfaces superhydrophobes pulvérisées.

 

Dans l’automobile, un tel revêtement ouvre de nouvelles pistes de solutions pour réduire les frottements et améliorer la lubrification des systèmes.

Crédits images : ©Adaptive Surface Technologies ©Bioxegy © I. Scholz, M. Bückins, L. Dolge, T. Erlinghagen, A. Weth, F. Hischen, J. Mayer, S. Hoffmann, M. Riederer, M. Riedel, W. Baumgartner

Les serpents : réduire les frottements sans lubrification pour assurer une bonne vitesse de déplacement.

Les serpents font partie des animaux rampants. Pour se déplacer rapidement sur des sols de toute sorte, ils doivent maîtriser leurs frottements sous deux aspects : s'agripper pour mieux se propulser et glisser pour minimiser garantir une vitesse élevée.


Leur peau est composée d'écailles individuelles réparties régulièrement qui réduisent les frottements et l’usure. 

 

Un autre reptile remarquable est le poisson des sables : il glisse sur le sable, tel un poisson dans l’eau. Il possède pour cela une peau extérieure particulière, dont la résistance à l’érosion est supérieure à celle de l’acier !

Sa peau est constituée de kératine et de soufre, ce qui lui prodigue un coefficient de frottement extrêmement faible.

Des chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne, se sont intéressés à la morphologie de la peau et des écailles de ces reptiles, ce qui leur a permis de créer des surfaces métalliques à très faible frottement. Sur des surfaces sèches, ils ont découvert que cette conception entraînait une diminution de 40% du frottement par rapport à une surface plane équivalente non modifiée.

 

Etudier le potentiel du biomimétisme pour créer des textures de surface est un domaine de recherche relativement nouveau et plein d’opportunités. Dans de nombreuses industries, comme par exemple celle de l'horlogerie, une telle morphologie de surface pourrait permettre de grandement réduire les frottements et l’usure au niveau du contact sec entre deux pièces métalliques, par exemples des rouages internes.

Crédits images : ©Christian Greiner, Michael Schäfer

La peau des poissons : concevoir
un lubrifiant industriel révolutionnaire

Les poissons possèdent une glande pour sécréter un mucus spécifique. Celui-ci se fixe sur sa peau et vient envelopper son corps.

Composé de mucoprotéines, ce mucus joue un rôle crucial : il permet au poisson de se protéger contre la pénétration de micro-organismes pathogènes.

 

Plus étonnant encore : il lui permet de se déplacer rapidement dans l'eau grâce à son très faible coefficient de frottement. Ce mucus est aussi particulièrement efficace pour rendre le poisson plus insaisissable pour les prédateurs : il glisse.

Une équipe de chercheurs chinois a cherché à reproduire les propriétés de ce puissant mucus. Ils ont réussi à mettre au point une substance hydrophile, appelée hydrogel. 


Contenant des composés chimiques particuliers, celui-ci varie en fonction du pH et de la température, qui modifient les chaînes moléculaires : ce sont ces changements de conformation.

Le coefficient de friction est modulable et peut être très faible ou très élevé :
À pH élevé (7) et température ambiante (~20 °C), le coefficient de friction est très faible : 0.05. À pH faible et température élevée (32°C), le coefficient de friction devient très élevé : 1.2.

 

Ce lubrifiant bio-inspiré à friction modulable est particulièrement prometteur et pourrait être utilisé dans de nombreux composants mécaniques industriels, tous secteurs confondus !

Expériences menées sur le mucus des poissons-chats | Crédits images : © Yang Wu, Xiaowei Pei, Xiaolong Wang, Yongmin Liang, Weimin Liu & Feng Zhou

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