Biomimétisme et exemples inspirés des végétaux

Les végétaux qui nous entourent, sur terre et en mer, sont une formidable source d’inspiration pour les technologies de demain. Plongeons dans l’univers des végétaux et explorons leur ingéniosité pour en tirer des exemples biomimétiques, de l'algorithmique à l’aménagement du territoire en passant par l’énergétique.



Les végétaux, une histoire vieille comme le monde


L'histoire des végétaux remonte à plusieurs milliards d’années. Nées d’une symbiose entre des bactéries et des organismes monocellulaires, des micro-algues commencent à se propager dans les milieux aquatiques. S'en est suivie la colonisation de la terre ferme puis des millions d’années d’évolution, de diversification, de reproduction pour former les écosystèmes vivants qui nous entourent, dont le nombre d'espèces est estimé à plus de 400.000, chiffre qui est loin d’être figé, 2000 espèces sont encore découvertes chaque années à travers le monde.

Photographie d’un arbre centenaire

Les végétaux inspirent déjà et ne cesseront d'inspirer bon nombre de technologies pour les rendre plus performantes, plus sobres, plus durables dans tous les secteurs industriels. Plus qu’une source d’inspiration, les végétaux nous offrent également un vivier de matières premières qualitatives et respectueuses. Ils sont ainsi aujourd’hui au cœur des enjeux sociétaux et environnementaux de notre ère.

La diversité de forme des végétaux, de couleur, de taille ; leur formidable résilience aux aléas et climats naturels ; leur capacité à communiquer, à s’adapter, à se mouvoir, à se reproduire ; leur intelligence insoupçonnée : voici l’univers que nous ouvrent les végétaux et qui constitue un formidable terreau de connaissances, d’exemples et d’ingéniosité pour le biomimétisme.

Nous allons ici vous présenter un court aperçu de ce que les végétaux peuvent offrir aux secteurs industriels en explorant leur cycle de vie : du captage de l’énergie solaire à leur reproduction…




Les végétaux : prélever l’énergie à la source


Les végétaux, en tant qu’êtres vivants, ont besoin d'apports énergétiques pour vivre, grandir, se reproduire, communiquer. Que cette énergie provienne des rayons du soleil, du sols et ses minéraux, des proies capturées, de l’air ou de l’eau, les végétaux ont développé des mécanismes de captation et de conversion pour rendre ces intrants exploitables par leurs organismes. Les végétaux deviennent ainsi un formidable laboratoire de recherche en énergie, et sont une aubaine pour le biomimétisme !

L’énergie solaire : source d'énergie pour les végétaux et d'innovation pour les chercheurs


Lorsque l’on pense aux végétaux et à l’énergie, la première idée qui nous vient est leur capacité à capter les rayons du soleil via leurs feuilles. Ces dernières, aux formes toutes plus originales les unes que les autres, convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique via le mécanisme de la photosynthèse. Pour en savoir plus sur ce mécanisme, parcourez notre article sur la photosynthèse.

Les arbres en particulier ont la particularité d’avoir une grande surface foliaire (qui représente la surface de toutes leurs feuilles) tout en ayant une emprise au sol très réduite (correspondant uniquement à l'espace occupé par son tronc). Une équipe scientifique d’un institut de recherche indien (Chennai) a tenté de reproduire cette architecture si particulière faite d’un tronc duquel émanent des branches qui élargissent le champ de captage de lumière. En reproduisant cette arborescence inspirée des végétaux, il ont réussi à diminuer par 20 l’emprise au sol de leur champ urbain de panneaux solaires, libérant ainsi la place pour un parc récréatif.

Maximiser la surface de contact permet un gain d’efficacité mais ce n’est pas tout ce que le règne végétal a en réserve. En regardant de plus près les couches externes des feuilles des arbres, on peut observer une structure microscopique à plusieurs niveaux qui guide et diffuse astucieusement les rayons lumineux pour favoriser les échanges et la conversion d’énergie. C’est justement cette architecture qui a inspiré l'institut technique Harbin (Chine) pour améliorer l'efficacité des panneaux solaires en proposant une surface poreuse semblable à celle des feuilles de certains végétaux. Ils ont ainsi amélioré le rendement énergétique des panneaux tout en réduisant leur surchauffe qui limitait leurs performances.

Feuilles de végétaux arrosées de soleil en pleine séance de photosynthèse.

Echanges gazeux : la structure des feuilles à l'origine d'un textile respirant


Les végétaux ne s’occupent pas que de la seule énergie lumineuse ! Présents à la surface des feuilles de certains d’entre eux, de microscopiques pores participent à des échanges gazeux entre les végétaux et leur environnement et permettent la véritable respiration de la plante et sa régulation hydrique. Il n'en a pas fallu plus aux professionnels du textile pour s’en intéresser et développer le tissu Stomatex® imperméable et ultra-respirant. Utilisé dans des textiles militaires, sportifs ou médicaux, il permet une protection thermique confortable, imperméable et élastique tout en garantissant une moindre condensation de la transpiration.




Les végétaux, formidables gestionnaires de ressources.


Les végétaux doivent faire face aux aléas de leur environnement : les apports d’énergie extérieurs ne sont ni continus, ni prévisibles. Ils ont ainsi des parades pour une gestion et une utilisation de leurs ressources en toute sobriété : une grande source d'inspiration pour le biomimétisme.



Une distribution optimale : végétaux et optimisation du réseau routier


Le système de nervure des végétaux répond à deux objectifs :

  • Distribution efficace des substances nécessaires à son fonctionnement et son développement ;

  • Rigidification des feuilles permettant leur maintien.

C’est ce premier aspect vers lesquels les chercheurs d’une université new yorkaise se sont tournés pour concevoir une carte de transport routier. Transports et feuilles, où est le lien ? Comme nous l’avons vu précédemment, la feuille est capable d’échanger de l’énergie et de la matière avec son environnement, elle est également dotée d’un réseau efficace et résilient de canaux pour transporter les nutriments sans pertes et malgré d'éventuels dommages structurels. Quelle aubaine pour le biomimétisme ! Ce sont des problématiques similaires à celles que rencontre le réseau routier. En s’inspirant de la structure en arborescence couplée à une structure en boucle du veinage des feuilles, des chercheurs ont simulé une amélioration de la fluidité du trafic tout en palliant aux aléas locaux : surcharge, accident ou route coupée.

Photographie du veinage d’une feuille.

Une gestion énergétique en toute sobriété


Même si les ressources énergétiques et les nutriments arrivent à bon port, les végétaux en font un usage très raisonné pour éviter tout gaspillage énergétique. Ils ont ainsi la capacité de fabriquer des structures résilientes avec des briques élémentaires basiques. Prenons l’exemple de la diatomée, ce micro-organisme unicellulaire capable de fabriquer un squelette en verre à pression et température ambiante, doté d'une résistance extraordinaire. Pour donner un ordre d’idée, certaines espèces de diatomées sont capables de résister à l'équivalent de 700 voitures posées sur une plaque d’égout, rien que ça !

Photographie de la diatomée Arachnoidiscus - crédits picturepest

Les diatomées sont donc une extraordinaire source d’inspiration pour la conception de structures à la fois résistantes et légères à l’attention de l'industrie automobile ou aéronautique. L’entreprise allemande ELISE Gmbh a justement développé un logiciel d'optimisation structurelle basé sur des modèles inspirés des diatomées.




Les végétaux, une vie, un cycle.

Lors de leur existence, les végétaux se développent, se reproduisent et en fin de vie leurs matériaux sont naturellement recyclés par l'environnement. Pour maximiser les chances de voir leur propre espèce prospérer, ils ont toute une myriade de techniques pour d'abord favoriser la fécondation puis ensuite disséminer leur graines.



Des méthodes de reproduction efficaces : quand les végétaux inspirent le développement de drones


Les techniques de reproduction sont, chez les végétaux, toutes plus inventives les unes que les autres et ont un réel potentiel pour le biomimétisme. Les arbres par exemple, n’ont pas la capacité de se déplacer sur de longues distances et ont à leur disposition des méthodes de dissémination des graines innovantes pour la contourner. En produisant des fruits dont les graines seront ensuite disséminées par des animaux gourmands, ou en dispersant les graines au gré des vents, etc. les arbres arrivent à étendre leur espèce avec grand succès et sur des longues distances dans des lieux propices. C’est en s'intéressant à ces phénomènes que des chercheurs informaticiens en ont décelé le potentiel pour développer des algorithmes qui explorent les différentes pistes qui mènent à une solution optimale. D’une manière similaire à celle avec laquelle les arbres explorent leur environnement pour se reproduire et trouver l’espace confortable où germera leur progéniture. Cet algorithme bio-inspiré appliqué à une méthode de compression d’image permet un gain de poids du fichier de 20 % sans perte de qualité perceptible. Comme quoi, végétaux et photographie n’ont jamais été aussi liés !

Qui dit dispersion de graines sur de longues distances, dit envol des fruits ! L’érable est un expert en la matière puisque ses fruits tourbillonnent au vent. Les enfants les appellent volontiers des “hélicoptères”, ils ont pourtant un tout autre nom : les samares. Ces fruits à la forme d’une pale d’hélice, tournent sur eux en tombant pour créer une portance verticale et freiner leur chute.

La fameuse samare, plus connue sous le nom d'hélicoptère

Cette forme bien particulière a inspiré de nombreux ingénieurs pour concevoir des pales rotatives plus performantes en reproduisant la forme des fruits, la position du centre de gravité ou leur architecture structurelle. Que ce soit utilisé pour des drones d’observation autonomes, des pales de ventilateurs ou des pales d’éolienne, ce design bio-inspiré permet d'accroître la performance globale de systèmes via :

  • une amélioration d’efficacité énergétique, c'est-à-dire une réduction de sa consommation énergétique pour une puissance donnée ;

  • une amélioration de la fluidité de l’écoulement, en réduisant les turbulences ;

  • une réduction des nuisances sonores ;

  • une augmentation de la longévité des pales (grâce à une diminution des efforts transmis aux paliers et roulements des axes de rotations).



Nous l’avons vu au cours de ces quelques lignes, la nature, par sa diversité, n’aura de cesse de nous étonner et de nous inspirer. Les exemples de technologies inspirées des végétaux sont nombreux et touchent tous les secteurs industriels. Continuons d’aller explorer les mécanismes et l’intelligence des végétaux, pour comprendre leur ingéniosité et le potentiel formidable qu’ils constituent pour l’innovation.



Pour aller plus loin...

Un peu de lecture : quelques ouvrages remarques sur l'intelligence des végétaux


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