Biomimétisme et matériaux : la nature a la tête dure

De la structure des éponges de verre au tronc du cocotier en passant par les ruches des abeilles et les toiles d’araignées, les matériaux performants sont foison dans le vivant ! Ils allient légèreté et haute résistance à tous les types de contraintes, et permettent des isolations efficaces. Reproduire les structures et adapter les composants existants permettent d’obtenir des matériaux de haute qualité, adaptés aux enjeux actuels de respect de l’environnement.

Un groupe spectaculaire de panier de Vénus Credit: NOAA Okeanos Explorer Program, Gulf of Mexico 2012 Expedition

Matériaux et Lightweight Design


Le Lightweight Design est la combinaison de bonnes propriétés mécaniques et d’un poids faible. Il réalise ainsi le rêve de tout industriel : conserver de bonnes propriétés avec une masse de matériaux moindre. Très développé dans la nature, le Lightweight Design est permis via des structures élaborées, et des matériaux aux propriétés affûtées.

Des exemples fascinants existent parmi les êtres vivants et sont des mines d’or pour le biomimétisme !


L'éponge de verre, ou l’alliance de la beauté et la solidité

L’éponge de verre nommée “Panier de Vénus”, à la structure parfaitement ciselée, présente des motifs en fibre de silice, avec un maillage diagonal surmontant un maillage carré. Au-delà d’être légère car poreuse, cette structure lui permet de se protéger de son environnement. Cette structure a été reprise en biomimétisme afin de créer des structures résistantes et poreuses avec une diminution de masse des matériaux. Des tests réalisés sur des tubes ont montré que cette structure est même plus résistante qu’une structure alvéolaire, avec des exemples d’essais en compression de près de 50 % meilleurs ! Ces structures peuvent être intégrées dans des systèmes en automobile, dans le bâtiment ou bien en industrie.


La coquille Saint-Jacques, ou comment résister à la compression

La coquille Saint-Jacques se présente sous forme ondulée, et ce n’est pas son épaisseur mais cette géométrie qui lui permet de survivre à ses prédateurs. Une surface ondulée est aussi résistante en compression que la même surface 10 fois plus épaisse, mais non ondulée. Elle se protège ainsi des potentielles attaques de prédateurs. De plus, les ondulations lui permettent de résister à l’usure. En effet, elles piègent les particules comme le sable, qui agissent alors comme une protection sur la coquille et empêchent les autres particules d’user la surface. Le biomimétisme exploite ce mécanisme, avec des exemples notamment pour des outils subissant de nombreuses érosions, comme une foreuse ou une meule. Des ondulations sur la surface de l’outil permettent, avec le même principe, de limiter l’usure de la surface. On obtient ainsi une réduction de 63% d’abrasion pour des particules entre 100 et 200µm !

La géométrie très particulière de la coquille Saint Jacques

Le pic, tambourinage en toute sécurité !

Le pic, famille du pivert, est connu pour son habileté à déranger tout son voisinage du fait de son obsession à marteler les troncs des arbres. Ceci, nommé tambourinage ou martèlement, lui permet de marquer son territoire et de se nourrir. La structure de sa tête est protégée en conséquence, entourée d’une structure cartilagineuse qui lui permet d'absorber les chocs répétés de son tambourinage. Un des nombreux exemples d'adaptations possibles de cette structure reprise en biomimétisme est la conception d’un casque de protection de vélo. 15 % plus léger que les casques classiques tout en absorbant jusqu’à trois fois l’énergie de choc en cas de collision, il permet de recevoir seulement l’équivalent de 70 g sur la tête pour un crash à 25 km/h, contre 220 g avec un casque normal. Le problème majeur des casques de vélo étant en général de les transporter avec soi, un casque plus léger est un avantage non négligeable.


Le cocotier, ou comment le roseau doit partager les feux de la célébrité

Les animaux ne sont pas les seules sources d’inspiration en termes de Lightweight Design, en effet les arbres ont de formidables structures légères et résistantes. Outre le roseau, qui “plie mais ne rompt pas”, les cocotiers sont un des exemples de structure qui a la cote en biomimétisme. Soumis à une charge axiale par le poids des noix de coco et une charge latérale par le vent, le tronc du cocotier a évolué pour résister à ces charges. Ainsi, il est caractérisé par une colonne en forme de cône avec de nombreux nœuds. En effet, ces structures ondulées sont déformables et permettent l'absorption de l'énergie dues aux charges. Ces tubes coniques sont reproduits dans certains éléments déformables, qui permettent d’absorber les chocs lors de collisions, notamment en automobile. Ainsi, des tests de compression révèlent que les protections anti-collision de ce type sont plus efficaces que leurs équivalents conventionnels et 30 % plus légères. Une aubaine autant en matière de protection, que d’économie d’énergie !


Pour d’autres applications du biomimétisme sur le Light Weight Design de manière plus générale, je vous invite à lire cet article Biomimétisme & lightweight design : un pari gagnant, qui parle de nacre, d’oiseau et d’os entre autres !



Matériaux et isolation


L’isolation, qu’elle soit thermique, acoustique, ou bien aux chocs et vibrations, est une problématique contraignante car nécessitant souvent des matériaux particuliers ou des épaisseurs de matériaux non négligeables.

Cependant toutes les espèces ne peuvent avoir une épaisseur de peau, de membrane, de pelage ou d’écailles trop importante pour leur survie, et n’ont pas les capacités de créer des habitats avec des parois assez importantes. C’est donc avec des mécanismes ingénieux que la nature s’isole des différents phénomènes nuisibles, dont les exemples suivants ce paragraphe.


L’isolation acoustique revue par le biomimétisme

La ruches des abeilles est un vrai bijou de la technologie. De matériau léger et résistant, sa structure alvéolaire peu dense permet aux abeilles de résister au froid tout en étant un bon isolant acoustique. La structure peut être utilisée en sandwich entre deux couches de matériaux, notamment dans des parquets, ce qui peut diminuer le son perçu de 34 dB ! Des caissons alvéolés ont notamment été utilisés dans le toit du Panthéon de Rome lors de sa rénovation, un des exemples gage de ses performances.

Le bijou que sont les structures alvéolaires

Le biomimétisme peut éviter bien des chocs

Le pomelo est un fruit qui s'apparente à un gros pamplemousse. Cependant, il pousse en haut d’arbres hauts de 10 à 15 m, sa chute est non négligeable ! Pour survivre au choc, il possède une épaisse peau, composée de pores plus ou moins ouverts qui modifient la densité du matériau et forment ainsi un gradient de rigidité : plus flexible à l'extérieur pour l’absorption des chocs, et plus rigide à l'intérieur, pour protéger la chair. Ainsi, 90 % du choc est absorbé ! Une mousse en aluminium selon ce principe a été modélisée, avec une bonne résistance en compression et un des exemples d’application est de l’utiliser en tant que couche amortisseur.


La chaleur du biomimétisme

La cigale Cryptotympana atrata a la particularité de se thermoréguler grâce à ses... poils ! Grâce à leur profil courbé, ils reflètent la lumière visible en la redirigeant d’une part, et d’autre part, permettent l’émission infrarouge de sa chaleur interne. Elle peut donc se thermoréguler. Un des exemples d’application très performante inspirée de cette cigale est la fabrication d’un revêtement composite, de céramique avec un polymère, surmonté de micro-dômes à sa surface. Ce revêtement biomimétique testé à la surface d’un toit mène à une diminution de la température interne jusqu’à 6,6°C au zénith, haute performance !

Pour d'autres exemples d'isolation thermique très performants dans la nature, je vous invite à aller voir notre article Biomimétisme et économie d’énergie, qui présente notamment un textile isolant inspiré du pelage des ours polaires.


Matériaux et adhésion


L’adhésion est une problématique retrouvée dans tous les secteurs, à différentes échelles, que ça soit dans l’industrie alimentaire, pour fermer des pots, en passant par le luxe pour trouver des attaches, ou bien dans le BTP pour la tenue des matériaux.

Certains êtres vivants sont en permanence confrontés à des milieux glissants ou ont besoin de ne pas pouvoir être décrochés. Un des exemples les plus connus étant le gecko, qui, grâce à sa surface de patte particulière, peut se déplacer tête à l’envers. Les animaux ont ainsi développé des mécanismes d’adhésion très performants, qui sont des exemples à reproduire.


Le biomimétisme et la multitude de colles médicales

Il est assez incroyable, lors de balades le long des côtes bretonnes, de remarquer les moules toujours accrochées à leur rocher à marée basse. Et ceci malgré les courants, le vent et le soleil, sans parler de la salinité de l’eau. Cela est suffisant pour intéresser le biomimétisme ! En effet, grâce à son byssus, filaments déployés composé de molécules très adhésives, la moule reste accrochée à son rocher. En reproduisant ces molécules, des colles applicables dans de nombreux domaines, avec des exemples en alimentaire comme en bâtiment, ou dans le médical ont été développées. Elles sont utilisées pour re-suturer des organes ou comme résines dentaires, sont efficaces en milieu humide et ne sont pas nocives pour l’homme.

L’incroyable adhésion des moules

Le biomimétisme, faut s’accrocher !

Outre les colles, il existe aussi l’adhésion par la texturation. Une espèce de référence en la matière est la grenouille arboricole. Grâce à la présence de motifs hexagonaux sur la surface de ses pattes, la grenouille peut adhérer à des surfaces mouillées. En effet, elle augmente la surface de contact et evacue l'eau via les micro canaux des motifs. Différents exemples d’objets avec des motifs ont été développés, tels des têtes de rasoir avec unité étirant la peau, ou bien des semelles de chaussures. Cela augmente énormément l’adhésion des surfaces et empêche le glissement par biomimétisme.


Matériaux et biosourcing


Biosourcing, biomimétisme, bioplastique et biocompatibilité, il ne s’agit pas ici de faire du bio-washing, mais bien de vous présenter les nombreux exemples de matériaux réalisés à partir de matière biologique ! En effet, le biosourcing est le fait de remplacer un matériau d'origine minérale par un matériau d’origine biologique. Bien entendu, cela peut impliquer des traitements, et doit donc être traité au cas par cas. Mais dans la plupart des cas le biosourcing permet de renouveler et de recycler le matériau, en apportant un plus faible impact environnemental.

La nature est, par définition, faite de matière biologique. Il s’agit alors d’étudier les espèces pour identifier des matériaux avec de bonnes propriétés qui pourraient être utilisés dans différents secteurs. Un des exemples est en packaging pour les industries, mais aussi en bâtiment et même en cosmétique !


Le biosourcing dans le biomimétisme

De nombreux bioplastiques existent. Par exemple à partir de chitosane, qui est un dérivé de la chitine, notamment présente dans les carapaces des crustacés. Un bioplastique peut aussi être issu de la fermentation de bactéries captant du CO2, de nanofibres de cellulose, ou bien des restes de poisson et d’agar-agar provenant des algues rouges. Les exemples sont multiples et permettent d’obtenir des plastiques aux propriétés différentes selon leur provenance. Un intérêt à souligner, outre la recyclabilité, est qu’ils sont le plus souvent biocompatibles et respectent donc les normes alimentaires ou de cosmétiques. De plus, le coût de la matière première, d’origine biologique, peut-être bien moindre et peut permettre de revaloriser des déchets d’usine.

Mais la série des “bio” continue, avec les biotextiles ! A nouveau, on retrouve comme source possible pour le biomimétisme la cellulose et la chitosane, mais aussi des exemples de textile, comme les fibres de bananier et les bouchons de liège. Ces textiles, aux propriétés dépendant de leur matériau, peuvent être de bons isolants, et sont de matière première écologique et économique.


Quand le biosourcing aide la médecine

La notion de “biocompatibilité” des matériaux est précieuse en médecine, car il en va de l’acceptation de corps étranger pour éviter tout rejet ou réaction nocive.

Les exemples biocompatibles sont nombreux, et notamment l’utilisation de nanofibres de soie d'araignée est prometteuse pour la médecine en biomimétisme. En effet, souple et résistante en plus d’être biodégradables, ces nanofibres peuvent être assemblées pour former différentes matrices : films, hydrogels, éponges ou sphères, et capsules libératrices. Ainsi divers exemples d’application sont possibles. Que ce soit de l'ingénierie tissulaire ou bien de la libération de médicaments ou de molécules d’intérêt, votre prochaine opération ne tiendra plus seulement à un fil !

Les toiles d’araignées, souplesse et résistance, Spiderman n’est pas devenu quelqu'un pour rien

Conclusion

Le biomimétisme pour les matériaux n’est pas seulement le fait de reproduire ceux existant dans la nature, mais bien d’imaginer les structures complexes et les composites existant dans le vivant afin d’améliorer les performances tout en diminuant la masse des matériaux. Il s’agit ici seulement d’une entrevue des possibles, mais il faudrait plus que 9 minutes pour lire tous les exemples !


Sources :