Elsa CECCHINI, Natacha DESJARDINS, Brice GERGAUD, Julia MAFFRE-BOGÉ, Thomas MARIUS, Chloé ZAWISZA.
Résumé
De nombreuses innovations technologiques
ont été créées en s’inspirant de la nature. En effet elle représente une source
infinie de créations technologiques. La bio-inspiration est une science
implantée depuis de nombreuses années dans des domaines variés. Coque de
bateau, matériel médical ou encore combinaison de plongée, les exemples sont
nombreux. Petit à petit, la bio-inspiration se développe. [4]
Introduction
Les chercheurs s’inspirent du monde du
vivant, des animaux autant que des végétaux et ceci dans le but d’inventer et de perfectionner différentes
technologies.
La
bio-inspiration intervient dans plusieurs domaines dont le monde de
l’aéronautique, la médecine et la robotique. Ici nous avons choisi de
développer les applications de la vie quotidienne et dans la médecine.
La
bio-inspiration existe depuis la nuit des temps. Les Hommes
l’utilisent depuis la mythologie grecque. En effet, dans le but
d'échapper au tyran Minos, et pour voler, Dédale a fabriqué pour
lui et Icare, son fils, des ailes d'oiseaux à partir de plumes et de
cire. Bien que l'idée de Dédale ait été tout à fait visionnaire
dans le domaine de la bio-inspiration, elle nous apprend
également qu'il y a une grande différence entre s’inspirer et
copier la nature
Léonard
de Vinci (1452-1519), grand artiste, philosophe et scientifique, a
été le premier vrai chercheur dans le domaine de la
bio-inspiration.
Ainsi, il
construit en 1505 des appareillages de vol, d'hélicoptères, de
parachutes après avoir étudié la façon dont volent les
oiseaux.[3]
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Croquis d'une machine volante à ailes battantes
dessiné par Léonard de Vinci. (VIATOUR, Luc. Machine volante à ailes battantes. (2007). [photographie]. In :
Léonard de Vinci. Codex Atlanticus)
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Au cours
du 16ème siècle, l'Angleterre et l'Espagne luttaient l’une contre l’autre pour
la domination des océans. En 1590, l'anglais Matthew Baker s'est inspiré de la
nature et notamment des poissons, dans le domaine de la construction navale. Il
a eu l'idée de construire une coque de bateau d'après le modèle d'une tête de
morue et d'une queue de maquereau. Ces modifications ont grandement amélioré
la manœuvrabilité du navire.
En 1868
Michael Kelly, invente le fil de fer (ou fil barbelé), particulièrement adapté
pour isoler le bétail, en imitant un buisson épineux. Toutefois, sa production
s'avérant très coûteuse, il abandonna son idée qui sera reprise plus tard et
commercialisée dans une version moins onéreuse.
En 1948,
l’ingénieur suisse George De Mestral invente la bande auto-agrippante
surnommée le velcro. Il s’est inspiré du fruit de la bardane muni de petits
crochets pour s'accrocher aux poils des animaux. [1]
Depuis les années 50, la bio-inspiration n’a cessé de
progresser de façon constante. L'intérêt aujourd’hui n'est plus seulement
scientifique et écologique, mais également économique.
En effet, il s’agit d’un grand investissement en économie, au
niveau des industries et dans de nombreux domaines. De plus, la bio-inspiration,
qui est une source d’innovation et de création, représente, et sera dans le
futur, une source de richesse et d’emplois.
Ainsi, de nombreuses entreprises comme Arkema (filiale du groupe
Total) consacre une partie de son budget en recherche et développement. D’autre
part, le développement de la bio-inspiration participera à la reconstitution
de l’image ternie de ces entreprises par leurs excès passés, notamment en
matière de pollution. Enfin, l’autre intérêt de la bio-inspiration provient du
fait que son étude nécessite la collaboration d’un large panel de scientifiques
(chimistes, physiciens, ingénieur ou encore biologistes). Cette
interdisciplinarité favorise grandement l’évolution de la bioinspiration et
permet de nombreux progrès.
Pourquoi
s’inspirer de la nature ?
La
bio-inspiration s’inspire des formes adoptées par la nature, et des
comportements des êtres vivants mais aussi des interactions entre les espèces
plus ou moins éloignées.
Mais
pourquoi recherchons-nous des idées dans la nature ? Pourquoi ne pas
inventer à partir de rien des objets ou des systèmes pouvant répondre aux
objectifs que nous voulons atteindre ?
Nous
nous inspirons de la nature parce que c’est là que la réponse à nos questions
s’y trouve : faire évoluer un élément qui existe déjà est plus aisé que de
le créer. Ceci nous prendrait aussi beaucoup plus de temps car sans préavis
toutes les idées d’évolution sont possibles rendant ainsi une infinité de
projet avec leurs succès et échecs.
Comment se déroule les
recherches ? Au début, nous avons une idée pour l’amélioration de la vie
en enlevant un problème dont il faut isoler la cause. Après il faut trouver une
solution, et c’est à ce moment que la bio-inspiration entre en jeu.
Prenons
l’exemple des trains au japon. Ils sont rapides, relativement silencieux et
utilisent, grâce à leur structure peu d’énergie. Pour y arriver les chercheurs
se sont inspirés du martin-pêcheur pour sa vitesse et du hibou pour le silence.
Le nez allongé du martin-pêcheur lui permet de plonger à grande vitesse sans
perdre de vitesse, il fend ainsi l’air pour aller plus vite. Les ailes du hibou
sont composées de nombreuses petites plumes diminuant les bruits de l’air.
En
combinant ces deux anatomies les chercheurs ont créé un train 15% plus économe
en énergie, augmenté sa vitesse de 10% et rendu plus silencieux.[4]
Pour
atteindre cet objectif, d’autres animaux avaient été étudiés au début de la
recherche mais seuls ceux évoqués ci-dessus ont permis l’amélioration voulue.
C’est ainsi que se développe chaque
produit ou système issus de la bio-inspiration sauf si cette découverte n’est due totalement au hasard. Dans ce dernier cas, on découvre un être vivant qui
s’avère avoir des spécificités avantageuses dans certains cas. Alors on étudie
cet être vivant et on adapte alors sa spécificité à nos besoins.
Comment la bio-inspiration a su améliorer notre
quotidien ?
- · L’histoire du scratch
Tout le monde connait les qualités pratiques du scratch,
surtout quand on ne sait pas faire ses lacets, comme les enfants…
Tout a commencé lorsque l’ingénieur suisse Georges
Maestral est allé se promener avec son chien. Il s’est aperçu que la bardane
s’était accrochée aux poils de l’animal mais aussi à son pantalon de velours.
Les bardanes sont des plantes appartenant au genre Arctium. Elles sont
facilement reconnaissables par leur forme ronde recouverte de longs pics avec
une fleur violette en leur centre.  |
| La bardane [5] |
L’idée du scratch lui
est alors apparue. Chacun sait que le scratch est un ensemble de deux bandes de
structures différentes pouvant s’accrocher et se détacher l’une à l’autre de
façon très simple. Il y a donc une bande constituée de petits crochets en plastique et l’autre dite
de « velours » constituée de
petites boucles comme les épines de la bardane et le pantalon de velours.
L’invention appelée Velcro,
mixte de velours et crochet. Le mot scratch, quant à lui, provient du bruit
populaire que l’on fait lorsque l’on décroche les deux bandes.
Si le Velcro est plus
réputé dans le monde de la basket à scratch, il est aussi utilisé dans
l’univers de la mode. Jupes et pantalons peuvent se fixer simplement avec des
attaches Velcro.[8]
- · « L’effet Lotus »
Les propriétés du lotus sont également très utilisées
pour améliorer notre vie quotidienne. Pour réaliser correctement la
photosynthèse, les feuilles de lotus doivent rester propres. Elles ont acquis
la capacité de résister à la saleté des lacs, des marais ainsi qu’aux
marécages. Plus que cela, elles ont développé des propriétés
auto-nettoyantes... La feuille de lotus est également super hydrophobe. Le terme
hydrophobe signifiant littéralement : « qui n’aime pas l’eau »
désigne le fait qu’une substance repousse ou est éloignée par l’eau. Le terme
super hydrophobe, lui, est employé lorsque l’angle entre la goutte d’eau et la
surface est supérieur à 160°. La goutte d’eau ne s’étale donc pas et reste sous
forme de sphère. Autrement dit, hydrophobe signifie qu’une surface est très
difficile à mouiller. De plus, l’aspect légèrement rugueux des feuilles permet
à des poches d’air de se former entre la goutte et ses rugosités. Cela permet à
la feuille d’avoir seulement 0,6% de surface de contact avec les gouttes d’eau.
La propriété
auto-nettoyante résulte de la propriété super-hydrophobe. En effet, les gouttes
restant sphériques roulent en emportant les poussières avec elles.
Ces deux propriétés
ont été copiées pour de nombreux objets notamment certaines parois de douche,
elles s’appliquent également pour les verres des pare-brise, des lunettes de
vue et des vitrines de magasins. Les gouttes de pluie glissent sur le verre,
pratique pour éviter de laver les vitres tous les jours ! Le lotus a
également inspiré la réalisation de
tissus hydrophobes pour les maillots de bain à séchage rapide ou encore des
vêtements de pluie tels que les K Way. [7]
Du côté de la médecine…
De la flore au médicament
De
plus en plus de médicaments sont maintenant préparés à partir d’extraits de
plantes grâce à l’avancée scientifique. C’est ce que l’on appelle la
phytothérapie.
A l‘échelle mondiale, le médicament le plus connu et le
plus populaire est l’aspirine qui représente plus de 35 000 tonnes de
comprimés !
Mais comment et pourquoi produit-on de l’aspirine à
partir d’extraits de plantes ?
L’aspirine est un médicament dont le principe actif est
l’acide acétylsalicylique.
La production d’aspirine se forme à
partir d’extrait de l’écorce du saule blanc.
Egalement
appelé Salix alba, le Saule blanc est
un arbre qui mesure 20 mètres de hauteur. Il appartient à la famille des
salicacées et se situe dans les régions humides d’Amérique du Nord et en
Europe. Il serait considéré comme l’une des plus anciennes plantes médicinales.
C’est
au 5ème siècle avant Jésus Christ qu’un médecin grec, Hippocrate, a
découvert le pouvoir de guérison que donnait l’extrait de l’écorce du Saule
puisqu’il soulageait les maux de tête.
En
effet, l’écorce de Saule blanc contient une substance chimique naturelle, la
salicine qui est riche en dérivés salicylés tout comme l’aspirine. [6]
Chaque
médicament de phytothérapie est soumis à des règles qu’il faut respecter.
Selon
l’Agence nationale de sécurité du médicament et des produits de santé (ANSM),
les médicaments de phytothérapie doivent suivre la « ligne directrice
concernant les bonnes pratiques agricoles et les bonnes pratiques de récolte
relatives aux matières premières d’origine végétale ».
Donc
hormis l’autorisation de mise sur le marché (AMM), la fabrication d’un de ces
médicaments est soumise à des protocoles très stricts avec de bonnes pratiques
et des contrôles de fabrication ainsi que l’obtention de matières premières
jusqu’à la qualité des produits finis. Mais les fabricants peuvent ajouter des
améliorations scientifiques et/ou technologiques pour améliorer les
médicaments. C’est grâce aux progrès scientifiques que les médicaments de
phytothérapie sont désormais plus efficaces et plus sûrs.
Contrairement
à l’aspirine, les effets de l’écorce de Saule blanc peuvent avoir un effet plus
durable bien qu’elle n’intervient pas aussi vite que l’aspirine. Il est
préférable d’utiliser de l’aspirine à partir d’extraits de Saule blanc car elle
provoquerait moins d’effets secondaires contrairement à de l’aspirine
classique.
Il ne faut pas en abuser car il reste
tout de même un médicament. Il est fortement déconseillé aux femmes enceintes
d’utiliser ce médicament de phytothérapie à cause de l’écorce de saule.
Le perfectionnement des équipements inspirés par la nature
· La piqure de moustique
La
nature représente le meilleur Ingénieur du monde. Elle s’est perfectionnée
durant des millions d’années afin de créer les éléments biologiques les plus
adaptés, de garantir la survie de leur porteur, et aujourd’hui afin de
perfectionner à notre tour nos équipements. Nous n’avons qu’à copier le génie
de ces êtres vivants.
Qui n’a jamais craint la douleur engendré par les piqûres
des médecins ?
Grâce aux seringues Nanopass33 développées par Terumo (fabriquant
de matériel médical situé à Tokyo) la douleur associée
aux piqûres a disparu. En effet, ces seringues de nouvelle génération inspirées
des moustiques sont indolores !
Les Culicidae,
aussi appelés moustiques, sont des insectes qui possèdent des longues antennes
fines (0.5 à 1.5cm de diamètre), des ailes avec des écailles et surtout pour
les femelles, une seringue à la place de la bouche permettant de mieux prélever
le sang !
Contrairement
aux idées reçues, ces insectes ne prélèvent pas notre sang pour se nourrir mais
pour nourrir leurs œufs, et pour cela, ils ont besoin de nous piquer sans nous
alerter sous peine de se faire écraser d’un coup de main. En effet, c’est
pendant leur piqûre qu’ils sont le plus vulnérables.
Ainsi
la nature les a dotés d’une trompe si petite que le plus souvent la douleur et
les démangeaisons liées aux moustiques sont dues aux réactions inflammatoires
post-piqure.
A
l’origine l’entreprise Terumo avait pour objectif de créer des seringues non
douloureuses pour aider les patients à ne plus associer piqûres et souffrnace.
C’est ainsi que la seringue Nanopass33 vit le jour.
Les
seringues mesurent seulement 0.2 millimètre de diamètre soit 33% de moins que
les seringues traditionnelles. Cela leur permet d’être totalement indolore et
de causer moins de dégâts que leurs prédécesseurs.
La
fabrication d’une telle aiguille est possible grâce à l’adoption d’une aiguille
de forme conique comme celle des trompes des moustiques et non pas cylindrique
comme le sont les aiguilles traditionnelles.
Ce
changement est important non pas parce que son diamètre est fin. Il est
possible de créer des seringues cylindriques de même diamètre, elle est
importante car cette méthode de fabrication à partir de l’enroulement d’une
feuille extrêmement fine d’acier inoxydable en cylindre conique coûte beaucoup
moins chère que l’autre méthode qui
consistait à percer un cylindre en métal.
Résultat,
cette seringue coûte 5 fois moins chère qu’une seringue de forme cylindrique
créée avec le même diamètre. Elles ne coûtent que 5% plus chères que les
seringues traditionnelles. C’est la raison pour laquelle cette seringue est
distribuée sur le marché et est disponible pour tous.
Cette
évolution est un bienfait pour les personnes souffrant d’une maladie
nécessitant de prendre plusieurs piqures par jours telle que les personnes
diabétiques. Elles peuvent en effet souffrir de stress psychologique dû à la
douleur des piqures et physiologique car dû aux piqures répétées dans les zones
d’infusions. [9]
Bio-inspiration : un avenir pour la transplantation
La médecine ne cesse d’évoluer au fil des années dans le
but d’augmenter la durée de vie et sauver plus de personnes. Un des progrès le
plus remarquable est la transplantation d’organes.
Le terme
transplantation correspond à une opération chirurgicale durant laquelle on
retire l’organe malade d’un patient pour le remplacer par un organe sain. Les
principaux organes transplantés sont le cœur, le foie, les reins, et les
poumons.
Plus de
4600 greffes ont été réalisées en France durant les années 2007 et 2008. Cette
méthode chirurgicale permet de sauver des vies chaque année. Elle connait
cependant certaines limites d’efficacité que de nombreux chercheurs tentent de
résoudre.
Une
fois l’organe sain prélevé, il est conservé grâce au froid pendant son
transport et en attendant l’opération. Néanmoins, les médecins ne bénéficient
que d’un court délai (pas plus de quelques heures) pour transplanter l’organe.
C’est ici qu’intervient la bio-inspiration. En effet, les chercheurs ont trouvé
des cas dans la nature leur donnant une piste pour pouvoir permettre un jour de
rallonger cet intervalle de temps et d’améliorer ainsi l’efficacité de la
transplantation d’organes en réduisant les limites temporelles.
La
cryologie est l’étude du comportement des êtres vivants à de faibles
températures. C’est avec cette science que l’on a pu remarquer que certains
êtres vivants possèderaient la capacité de résister à des températures bien
plus basses que celles dont l’être humain peut faire face.
Leur but est de
trouver une solution permettant de pouvoir congeler les organes, pour pouvoir
les conserver plus longtemps avant de les transplanter. Le problème actuel
provient du fait que la congélation d’organes entraine leur dégradation car la
cristallisation de l’eau et sa décongélation entraine une dégradation des
cellules.
Il existe un animal
capable de littéralement congeler durant l’hiver. Il s’agit de la grenouille
des bois vivant en Alaska. Celle-ci, pour passer la saison froide, va
s’enterrer dans le sol et se laisser congeler. A ce moment-là, elle ne respire
plus, son cœur ne bat plus, son sang ne circule presque plus, mais pourtant,
elle n’est pas morte ! Elle va, lorsque la température le permet, se
décongeler, et revenir à la vie, comme si de rien n’était. Le plus surprenant
durant ce procédé reste que ses organes ne vont connaitre aucunes dégradations.
La résistance des
organes de cette grenouille à de très basses températures hivernales (jusqu’à
-16°C) est expliquée par le stockage beaucoup plus important en glycogène dans
son foie. Lorsque la température s’abaisse, cet organe va convertir cette
substance en glucose et le distribuer aux cellules. Ainsi au moment de sa
congélation, le sang circulant dans la grenouille est très riche en glucose, ce
qui a un effet cryoptrotecteur. De plus, cette grenouille possède la
caractéristique d’accumuler trois fois plus d’urée que les autres grenouilles,
ce qui entraine également un effet de résistance au froid. [2]
Les caractéristiques
propres à cette espèce sont étudiées par les chercheurs dans le but de
l’adapter aux organes humains, et ainsi, pouvoir les congeler sans causer de
dégradation cellulaire tout en les conservant à de plus basses températures et
donc plus longtemps.
Ainsi, la
transplantation d’organe est une avancée médicale qui permet de sauver des vies
et d’éviter de lourds traitements. Elle est sujette à des recherches
permanentes, dont certaines sont inspirées de la nature, dans le but
d’améliorer son efficacité.
Conclusion
La
bio-inspiration est à l’origine de nombreux progrès scientifiques notamment
dans la médecine.
En France, ce domaine
n’occupe cependant pas une place primordiale dans la science. De plus, il n’est
pas rare que des progrès n’aboutissent pas faute de moyens technologiques et
financiers. Nous pouvons prendre l’exemple de la synthèse de la soie
d’araignée. En effet, les moyens technologiques actuels ne permettent pas de la
réaliser.
Néanmoins,
la bio-inspiration se développe petit à petit et constitue un espoir en ce qui
concerne les progrès de demain.
Bibliographie / Webographie
[1] Ceebios.
Biomimétisme, pourquoi la nature est plus forte que nous : Le
Précurseurs.[PDF].Senlis,2013.[consulté le 26/04/2015].http://ceebios.com/wp-content/uploads/2013/10/Expo-biomim%C3%A9tisme-2013.pdf
[2] Delphine Bossy.(28/08/2013).Futura sciences : nature : actualités : zoologie.[consulté le
30/04/2015] http://www.futura-sciences.com/…/zoologie-bref-grenouille-…/
[3]
D.Laurenza; M.Taddei; E.Zanon (2006).Les
machines de Léonard de Vinci : Secrets et inventions du codex.
Paris : Gründ, 340p
[4] Institut
océanographique Paul Ricard : information /sensibilisation.[consulté le
20/04/2015]. http://www.institut-paul-ricard.org/.../LettreIOPR2013...
[5]
La bardane http://www.google.fr/imgres?imgurl=https%3A%2F%2Ffarm8.staticflickr.com%2F7311%2F9377143283_b1521f7609_h.jpg&imgrefurl=https%3A%2F%2Fwww.flickr.com%2Fphotos%2Fmartagon%2F9377143283%2F&h=1067&w=1600&tbnid=URM5w1cKHGcivM%3A&zoom=1&docid=c9AaRO9gQoLFdM&itg=1&ei=O29YVdfdOYOU7QavuYHoBQ&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=379&page=2&start=20&ndsp=25&ved=0CKABEK0DMCk
[6] L’aspirine
sur le site Vie,
[consulté le 15/04/15].http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/aspirine/aspirine.html
[7]
Futura Matière : L’effet Lotus 2.0 : un revêtement qui repousse
l’eau et l’huile. [consulté le 28/04/2015]. http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-effet-lotus-20-revetement-repousse-eau-huile-56300/
[8] Futura Matière :
Velcro.[consulté le
14/04/2015]. http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-velcro-8741/
[9]
Une aiguille indolore. [consulté le
28/04/2015] http://www.wipo.int/ipadvantage/fr/articles/article_0076.html