Biomimétisme et animaux marins


Les animaux marins vivent dans un environnement contraint, et doivent répondre à de multiples enjeux de survie. Les propriétés qu'ils ont développées servent fréquemment comme sources d'inspiration biomimétique dans la recherche et l'industrie. Plongeons ensemble dans cet univers si riche en exemples !


Animaux marins et matériaux : le fond des mers au sommet de l’innovation

La journée mondiale de l’eau ce 22 mars 2022 est l’occasion de vous parler des animaux extraordinaires qui se trouvent dans les océans et de leurs propriétés fascinantes ! Avant tout les matériaux qui les composent, qui inspirent de nombreuses innovations par biomimétisme.


Des matériaux très résistants pour survivre dans l’océan

Certains animaux marins vulnérables doivent se protéger de multiples agressions extérieures : conditions environnementales contraignantes, attaques de prédateur…. D’autres animaux marins possèdent des structures résistantes à des fins de prédation. Ils peuvent ainsi envisager des proies pourtant très résistantes. Dans une approche de biomimétisme, les animaux marins représentent ainsi un vivier d’inspirations particulièrement pertinent pour la conception de matériaux super-résistants.

Afin de résister aux agressions de prédateurs, de nombreux animaux marins ont des enveloppes protectrices : peau, écailles, carapace, coque… L’arapaïma par exemple est un poisson vivant en Amazonie avec des écailles lui permettant de résister aux morsures de piranha. La solidité de ses écailles vient de leur structure en plusieurs couches et de la matière résistante de chacune des couches. La reproduction de cette structure d’écaille a permis le développement d’un matériau à la fois flexible et résistant. Ce type de matériau est particulièrement intéressant pour un usage dans les gilets pare-balle par exemple.

Mais les animaux marins ne doivent pas seulement se protéger, pour se nourrir ils doivent également posséder quelques atouts. Les crevettes-mantes par exemple sont les stars du biomimétisme tant elles inspirent la recherche. Nous vous évoquions il y a peu leurs yeux très particuliers et la façon dont ils inspirent le domaine de l’oncologie. Mais ce n’est pas tout ! méfiez-vous de ces super-crevettes et de leurs poings ! Les crevettes-mantes les utilisent pour briser les coquilles de leurs proies. Leur puissance de frappe équivaut à une accélération proche de celle d’une balle de pistolet. Imaginez frapper du poing à cette vitesse dans une coquille d'huître : il vous faudrait un revêtement d’une résistance formidable pour pouvoir boxer ainsi quotidiennement sans se blesser ! S’inspirer de la structure interne du poing de la crevette-mante permet la conception de matériaux composites non seulement très résistants, mais aussi très légers.

Les super-poings de la crevette-mante.

Pour des matériaux plus écologiques inspirés des animaux marins

Le biomimétisme permet également d’innover en matière de durabilité, recyclabilité et de procédé de fabrication des matériaux, pour qu’ils soient plus écologiques. Le corps des animaux marins peut être une source de matière première pour la production de matériaux biosourcés, mais ce n’est pas tout. Aussi, le biomimétisme permet de rendre certains procédés de production plus écologiques ou encore de concevoir des matériaux dont la structure est inspirée des animaux marins.

Ainsi, certains mollusques à coques, comme les ormeaux, ont une coquille composée de nacre, un matériau composite. La nacre a une architecture en plusieurs couches, ce qui lui confère d'excellentes propriétés structurelles. Elle est très résistante, et permet la survie des mollusques dans leurs conditions environnementales parfois très hostiles. La nacre sert de source d’inspiration pour de nombreux matériaux : composites, céramiques, verres, fibres, revêtements fonctionnels, la liste n’en finit pas de s’allonger ! Par exemple, il est possible de s’inspirer de sa structure pour créer un plastique biodégradable en cellulose et en mica, aux propriétés similaires !


Coquilles nacrées : bijoux des océans.

Retournons voir nos amies les crevettes, dont le biomimétisme ne tarit pas d’éloges. Elles doivent se défendre de deux choses : les attaques de leurs prédateurs, et l’infiltration de l’eau dans leur organisme. Ainsi elle revêtent une carapace solide et résistante à l’humidité. Leur secret ? un composé : la chitine. La chitine peut être transformée en chitosane, polymère naturel utilisé entre autres pour la fabrication d’emballage papier, carton, ou bien de plastique. Le Wyss Institute de Harvard a par exemple développé un bioplastique nommé Shrilk, combinaison de carapaces de crevettes (déchets alimentaires) et de soie de ver. Résultat : ce plastique est aussi résistant qu’un alliage en aluminium tout en étant deux fois plus léger. La chitine n’est pas seulement présente dans l’exosquelette des crevettes, c’est une molécule très répandue dans le vivant ! On la trouve dans la cuticule, c'est -à -dire la couche externe solide, de nombreux animaux marins et terrestres (insectes, mollusques, crustacés), mais aussi dans des algues ou des champignons !

Les animaux marins fourmillent d'exemples de matériaux résistants à la biodégradation dont nous pouvons nous inspirer pour construire le monde de demain ! Pour aller encore plus loin en matière de biomimétisme marin, des matériaux de couleur adaptative sont inspirés des animaux changeant de couleur dans les océans, pour se camoufler ou pour communiquer, comme les pieuvres ou les seiche.


Des innovations énergétiques inspirées des animaux marins

La consommation énergétique industrielle est un enjeu capital, sur les plans économique et environnemental. Le biomimétisme permet d’optimiser la production et la consommation d’énergie, grâce à de nouvelles sources et méthodes de production.


Optimiser la production d’énergie grâce aux déplacements des animaux

Certains animaux marins sont capables de se déplacer très vite dans l’eau, à des fins de prédation ou de fuite. En s’inspirant des mécanismes de conversion d’énergie en jeu, il est possible de développer des technologies innovantes.

Par exemple, le biomimétisme marin permet une optimisation de la production d’énergie hydraulique, en s'inspirant des anguilles qui se déplacent en ondulant. Eel energy est une société qui propose une technologie d’hydrolienne disruptive, complètement différente des hydroliennes classiques semblables à des éoliennes. Cette hydrolienne est une grande membrane conçue pour onduler au gré du courant. Cette forme est par ailleurs beaucoup moins gênante pour les écosystèmes, de par l’absence de turbines et de pales qui pourraient blesser les organismes. Le dispositif produit de l’énergie même lorsque le courant est relativement faible. Placé stratégiquement, il produit de l'électricité pendant 50 % du temps, soit deux fois plus que les éoliennes classiques.

L’air est un fluide tout comme l’eau. L’inspiration des animaux marins peut donc s’appliquer autant pour des hydroliennes que pour des éoliennes. Un bel exemple de forme bio-inspirée pour optimiser la production d’énergie des éoliennes est celui des baleines à bosses. Leurs stratégies de chasse extrêmement sophistiquées nécessitent une grande agilité relativement à leur taille. Leur secret : leurs nageoires présentent une surface tuberculée. Ces tubercules - leurs “bosses” - sont des protubérances qui renforcent l’hydrodynamisme des nageoires et permettent à la baleine de très bien se propulser dans l’eau. De la même façon, il est possible d’améliorer les propriétés aérodynamiques des pâles d’éoliennes en y ajoutant des tubercules.

Plus d’une bosse sur les nageoires de la baleine à bosse !

Le biomimétisme marin, c’est aussi optimiser la production d’énergie en s’inspirant de la forme des animaux ! La raie manta - ou diable des mers - est un grand animal qui ondule pour se propulser vers l’avant. Plusieurs grandes entreprises dans le secteur de l'aéronautique (NASA, Boeing, etc.) cherchent à créer les avions commerciaux du futurs, silencieux, et surtout aérodynamiques et économes en énergie. En attendant l’avion grand format, la société Lilium a déjà finalisé la conception d’un mini-jet 5 places inspiré de la raie manta. Mise sur le marché prévue d’ici 2025 !

De la nage au vol : la forme de la raie manta inspire des avions

Les surfaces des animaux marins sont elles aussi source d’inspiration biomimétique pour réduire la consommation énergétique d’équipements ou engins, que ce soit des surfaces de peau, d’écaille ou de carapace. La microstructure de surface de ces enveloppes permet souvent d'améliorer l’aérodynamisme quand appliqué en revêtement sur des carrosseries de voitures, ou l’hydrodynamisme quand appliqué sur des coques de bateaux. Par exemple, reproduire la microstructure de surface des écailles du poisson voilier, un des poissons les plus rapides des fonds marins, a permis de créer un revêtement réduisant jusqu'à près de 20% la traînée d’un véhicule. Côté maritime, reproduire la structure de surface des globicéphales, une espèce de dauphin, a permis de produire un revêtement réduisant de 20% les dépenses en carburant.

Le biomimétisme marin ne s’arrête pas à l’inspiration des caractéristiques individuelles de chaque animal marin. Le biomimétisme, c’est également s'inspirer de comportements collectifs. En effet, certaines disposition d’animaux en groupe permet une économie d’énergie globale du collectif, bénéfique à chaque individu. Dans les océans, un exemple classique est celui des bancs de poissons, qui se déplacent en bande de centaines voire de milliers d’individus ! Une telle disposition leur permet de diminuer de 80 % leurs efforts pour se déplacer. Elle facilite également la capture du plancton pour leur alimentation. Enfin, dans un but de protection, cette conformation réduit le risque qu’un individu se fasse dévorer. La disposition des poissons dans le banc inspire l’optimisation du placement de foils ondulants (c'est-à-dire les ailes) sur les hydroliennes, permettant un gain énergétique de plus de 20 %. Cette disposition permet également de disposer des éoliennes entre elles, pour un gain énergétique jusqu’à 10 fois supérieur aux éoliennes standard !

Se grouper pour mieux régner.

De nouvelles batteries inspirées des animaux marins

Le biomimétisme marin permet enfin de faire des progrès en matière de stockage ou d’identification de sources d’énergie. Certains animaux marins ont par exemple cette curieuse capacité à générer de l'électricité. Ils sont une source d’inspiration pour une toute nouvelle génération de batteries. Parmi ces animaux marins : les anguilles électriques, qui se protègent de prédateurs en créant des décharges électriques. Ces dernières possèdent des cellules spécialisées appelées électrocytes (cellules électriques). Sous l’action d’une stimulation nerveuse, les électrocytes changent la circulation des ions dans les canaux ioniques de leur membrane, ce qui induit une différence de potentiel de quelques microvolts. La mise en série de nombreuses cellules permet de cumuler le voltage et d'atteindre des tensions de plusieurs centaines de volts. L’anguille peut délivrer des tensions jusqu’à 860V ! Un nouveau système de batterie efficace s’inspire de ces étonnants animaux en reproduisant leur système de génération de courant. Des cellules en hydrogel permettant un passage sélectif de certains ions reproduisent le fonctionnement des électrocytes. Ces cellules souples sont empilées pour former un organe électrique artificiel capable de générer plus de 100 volts.

Anguille électrique : attention à la décharge ! (crédit : Tylwyth Eldar)

Les animaux marins : s’en inspirer pour notre santé

Le biomimétisme est un outil puissant pour faire avancer la médecine. Les animaux marins, comme la plupart des êtres vivants, font eux-mêmes face à des problèmes de santé et d’hygiène pour leur survie : cicatriser des plaies, lutter contre des maladies, éviter les contaminations bactériennes, etc. Le biomimétisme marin permet de répondre à des enjeux dans le secteur de la santé, par exemple par l’identification de substances biochimiques pour lutter contre des contaminants et maladies, ou bien le développement de matériaux biocompatibles à usage médical.


Des médicaments à la cosmétique

Les animaux marins produisent des substances qui peuvent être sources d’intérêt dans le domaine de la santé, pour la production de médicaments ou de cosmétiques.

Les moules utilisent des filaments protéiques appelés byssus pour coller fortement aux rochers et résister aux courants marins. Le byssus des moules est une source d’inspiration pour la formulation de nombreuses colles industrielles. Ces colles sont non toxiques et elles ont cette propriété de coller des surfaces ou des composants en milieu humide. Mais cette propriété de collage est également intéressante pour des applications médicales ou cosmétiques. Cette colle utilisée par les moules, la polydopamine, est utilisée en adjuvant pour de la chimiothérapie : elle permet d’encapsuler le médicament et le délivrer de manière très localisée dans le corps du patient. Le médicament encapsulé se colle sur certaines zones. Ensuite, la polydopamine étant sensible aux infrarouges, la focalisation des rayons sur l’endroit précis de la tumeur permet d’activer le médicament juste là où il faut.

Cette substance collante permet également de réinventer les crèmes solaires pour qu’elles soient hautement adhésives à la peau. Une crème solaire utilisant de la polydopamine permet de particulièrement bien résister dans l’eau. Son indice SPF est SPF195, c'est-à-dire que la crème décuple 195 fois la capacité de protection normale de la peau. Moins d’inquiétude pour vos baignades sous un soleil de plomb !


La chirurgie de demain inspirée par les animaux marins

L’inspiration des animaux marins dépasse les simples substances actives médicinales ou cosmétiques, le biomimétisme marin permet également d’innover sur les outils et procédés de chirurgie.

Le ver marin sécrète une substance lui permettant d’agglomérer les grains de sables entre eux et de former des tubes solides qui lui servent d’abri. Cette substance a inspiré la formulation d’une colle biocompatible pour la suture médicale. Très visqueuse, et hydrophobe, elle reste beaucoup mieux en place que d’autres colles médicales. Une fois appliquée sur la plaie, le chirurgien utilise une lampe UV sur la colle pour la polymériser, c'est-à-dire la faire passer d'un état de liquide visqueux à un solide flexible en quelques secondes. Un produit qui change la donne en bloc opératoire !

Le bras du poulpe a quant à lui inspiré l’innovation en matière d'outils chirurgicaux. Le bras du poulpe est capable de se faufiler dans des zones difficilement accessibles. Le poulpe modifie la structure de ses bras afin de se camoufler et de se protéger en accédant à des espaces confinés. Ainsi un bras médical inspiré du bras du poulpe a été conçu. Il est composé de matériaux souples qui lui garantissent des capacités de mouvement similaires à celles des bras des pieuvres, et permettent un accès plus facile à des zones internes du corps difficiles d’atteinte.

Les bras passe-partout de la pieuvre.

Le biomimétisme marin n’a pourtant pas fini de nous étonner dans le milieu médical. De nombreux dispositifs médicaux bio-inspirés comme des capteurs ou des micro-robots sont aujourd’hui en développement pour impacter la santé et les technologies de demain !


Pour aller plus loin, les sources utilisées pour la rédaction de cet article :