Les multiples sens du vivant inspirent des capteurs pour des outils de détection et des technologies interactives. Voici le “top 5 du capteur bio-inspiré” élaboré par les experts de Bioxegy !
Capteur et biomimétisme : une technologie qui fait sens ! La détection est un outil essentiel au vivant pour connaître et interagir avec son environnement. Si l’être humain dispose de neuf sens (et non cinq !) pour ce faire, le vivant en a développé et adapté bien d’autres. Ces sens inspirent désormais des capteurs qui accompagnent le développement d’outils de détection et de technologies interactives.
Capteur 1 : un détecteur d’explosifs inspiré du Bombyx du Mûrier
L’odorat du Bombyx du mûrier, nom officiel de l’adulte ver à soie, est surpuissant : le mâle est capable de détecter ses partenaires sexuels à 16 km ! Cette capacité est essentielle à sa survie : le Bombyx du Mûrier ne vit que 15 jours sous forme de papillon, et la reproduction est alors sa seule activité (il ne se nourrit même pas !). Ses performances s’expliquent par le fonctionnement de ses antennes. Elles sont couvertes de cils à la structure poreuse pour présenter une surface maximale aux phéromones qui viennent s’y adhérer.
Des chercheurs de l’Université de Strasbourg, du CNRS et de l’Institut Saint-Louis ont mis au point un capteur inspiré des antennes du Bombyx permettant de détecter le TNT. L’intérêt de ce capteur ? Ses performances. D’après les premiers essais menés en laboratoire, le dispositif serait capable de détecter des concentrations jusqu’à 0.8 ppt (partie par trillion = 10¹⁸), un milliard de fois plus précis que les autres capteurs existants. Il surpasse aussi les chiens entraînés ! Les chercheurs travaillent actuellement à la transposition de ce capteur bio-inspiré pour permettre la détection de tous types de molécules, en particulier des explosifs et des agents chimiques toxiques.
Capteur 2 : un détecteur de feu de forêt inspiré des insectes pyrophiles
L’Amazonie, l’Australie, la Californie : les flammes n’épargnent aucune zone du globe ces dernières années. Si la flore est majoritairement détruite, la faune n’est pas autant touchée ! Et pour cause : certains animaux sont capables de détecter les feux de forêts. C’est même une capacité vitale pour certains insectes.
Le coléoptère Melanophila acuminata, aussi appelé punaise de feu, pond ses œufs uniquement sur les troncs brûlés. Il dispose d’un organe spécialisé pour repérer ses sites de ponte, le rendant capable de détecter un arbre brûlé à 1 km et un feu de forêt à 100 km !
Des chercheurs allemands se sont inspirés de ses détecteurs infrarouges pour concevoir un capteur de feu de forêt ultra-performant et reproduisant les mécanismes du vivant ! Ils ont étudié les organes de détection infrarouge de plusieurs insectes pyrophiles pour comprendre leur fonctionnement. Leur compréhension leur a permis de concevoir un nouveau capteur biomimétique. Ce capteur est 80 fois plus puissant que les autres sur le marché. De quoi repérer les feux beaucoup plus tôt pour mieux protéger les forêts. Comme quoi la nature est bien faite !
Capteur 3 : un détecteur de séismes inspiré de l’éléphant
Comme lors des feux de forêt, la faune est généralement épargnée par les ravages des séismes et tsunamis. Ici encore, ils sont capables de sentir venir le danger à temps pour se mettre en sécurité. Et une fois de plus, ce genre de capacités nous seraient bien utiles !
Les éléphants sont très forts en la matière : leur masse leur offre un canal de communication réservé : celui des ondes sismiques. Ils peuvent ainsi communiquer sur de très longues distances.
Des chercheurs de l’Université de Bristol et d’Oxford ont étudié ces vibrations pour prouver qu’il était possible de déterminer le comportement de ces géants (marche, course, et même gargouillements !) en fonction des ondes émises, preuves de la richesse potentielle de ces échanges. Pour décoder ces messages, les éléphants disposent de plusieurs outils : un coussin graisseux dans leurs pattes qui leur permet de ressentir ces vibrations, des os qui sont d’excellents conducteurs de vibration, une trompe équipée de corpuscules de Pacini (capteur de mouvement très fin) et des oreilles qui sont spécialisées dans les basses fréquences.
La NASA, elle, développe actuellement un capteur inspiré des yeux de mouche pour détecter les vibrations sismiques, et ces recherches offrent une nouvelle alternative intéressante. S’il faut encore améliorer notre compréhension de ces mécanismes pour développer un nouveau capteur bio-inspiré, ces recherches nous sont aussi utiles dans le développement de technologies absorbant ou amplifiant les vibrations.
Capteur 4 : un détecteur de sucre inspiré de la piéride de la rave
Connaissez-vous la piéride de la rave ? Comme son nom ne l’indique pas, c’est un petit papillon blanc. Il porte ce nom en honneur aux Piérides, muses de la mythologie grecque et au chou rave, sur lequel le papillon aime bien pondre ses œufs. Cette fois, ce n’est pas un des sens de cet animal qui nous intéresse mais la couleur blanche de ses ailes ! Comme son cousin le papillon Morpho, aux bleus iridescents, cette couleur n’est pas due à des pigments comme chez la plupart des êtres vivants, mais à la structure de ses ailes. La structure de base de l’aile est constituée d’une couche de pigments noirs surmontée d’une grille. C’est cette configuration qui rend les taches noires sur ses ailes. Sur le reste de l’aile, la blancheur est créée par des billes à l’échelle nanométrique (10⁻⁹m) accrochées sur la grille. Elles font apparaître la couleur blanche en réfléchissant la lumière incidente.
En quoi cette structure permet-elle de créer un capteur ? Lorsque des molécules se déposent sur les billes, la trajectoire des ondes lumineuses est déviée et la couleur varie. Des chercheurs de l’EPFL en Suisse, ont reproduit la structure des ailes avec des polymères. Lorsqu’elle est mouillée, leur aile devient noire. De quoi en faire un capteur ! Mais, leur transposition ne s’arrête pas là ! En vérité, la couleur perçue va dépendre de l’indice de réfraction du milieu où se trouve la structure. L’indice de réfraction d’une solution sucrée variant selon la concentration en sucre, on peut la déterminer selon la couleur du capteur !
L’intérêt ? Dans l’industrie agro-alimentaire, il est nécessaire de mesurer le taux de saccharose de certains produits. comme le vin. Ce capteur biomimétique offre une alternative “low-tech” aux réfractomètres habituellement utilisés.
Capteur 5 : un détecteur d'obstacle inspiré de la chauve-souris
La chauve-souris est bien connue pour sa capacité à se repérer dans l’espace la nuit. Sa stratégie de chasse, impliquant l’usage d’ultrasons, lui permet de localiser ses proies et d'évaluer leur déplacement dans l’obscurité complète.
Pour l’être humain, la vue est le sens le plus utilisé : nos yeux sont donc notre capteur premier. Malheureusement tous nos concitoyens n’ont pas la chance de pouvoir observer leur environnement. Qu’à cela ne tienne : à défaut d’une vue d'aigle, ils pourront utiliser celle de la chauve-souris ! C’est en effet le défi que s’est lancé la société Ultracane : une canne pour les malvoyants équipée d’un capteur à ultrasons. Grâce à ce capteur, ils peuvent détecter les obstacles au sol jusqu’à 4 mètres (selon le réglage établi). Deuxième avantage non négligeable de ce capteur : détecter les obstacles en hauteur jusqu’à 1,5m de distance.
Voilà donc un petit aperçu des meilleurs capteurs biomimétiques existants. Mais, il en existe bien d’autres ! Ces capteurs sont particulièrement utiles dans le domaine de la robotique : ils permettent de créer des robots de détection. En alliant les capacités du vivant, il est possible de développer des robots dotés de diverses propriétés, comme ce robot de détection des fuites dont le mouvement est inspiré de la méduse, le corps de la pieuvre, et le capteur du tétra aveugle !