Biomimétisme : quand la nature inspire l’innovation

Au XIXe siècle, Clément Ader s’inspire de la roussette des Indes pour créer son Éole en observant ces grandes chauves-souris planer dans une volière construite dans son jardin. Dans les années 1940, lors d’une promenade, George de Mestral remarque que des bardanes sont accrochées à son pantalon. Après avoir observé les propriétés adhésives de ces plantes, il crée une bande auto-agrippante, le Velcro. En 2009, John Dabiri invente une éolienne révolutionnaire après avoir observé le mouvement des bancs de poissons.

Certains scientifiques, ingénieurs, architectes et designers se tournent vers cette discipline émergente pour imaginer des solutions efficaces et respectueuses de l’environnement.
 

1 LE MARTIN-PÊCHEUR & LE SHINKANSEN

L’observation de la nature : Une fois qu’il a repéré sa proie, le martin-pêcheur fend l’eau en provoquant le minimum de remous. La forme de son bec, long et fin, lui permet de passer rapidement et discrètement de l’air à l’eau malgré l’important changement de pression entre les deux milieux.

Le challenge : Au Japon, le Shinkansen (le TGV japonais) relie les plus grandes villes des îles de Honshū et Kyūshū en traversant de nombreux tunnels. Lorsque le train pénètre dans l’un d’eux, la compression de l’air crée des ondes de choc qui gênent à la fois les voyageurs – qui subissent des sensations désagréables aux oreilles – et les riverains qui entendent de véritables coups de tonnerre à la sortie du tunnel.

La solution : Dans les années 1990, Eiji Nakatsu, ingénieur en chef à la JR-West et ornithologue amateur, va s’inspirer du bec du martin-pêcheur pour concevoir la tête des nouveaux Shinkansen. Ce design innovant va empêcher la formation d’ondes et les nuisances qui y sont liées, mais aussi permettre de réduire la consommation électrique des trains de 15 % tout en augmentant leur vitesse de 10 %.

Comment ça marche ? How one engineer’s birdwatching made Japan’s bullet train better

2 LES TERMITES & L’EASTGATE BUILDING

L’observation de la nature : Les termites sont des bâtisseurs redoutables. Ce sont les êtres vivants qui sont capables de construire les plus hautes structures par rapport à leur taille. Grâce à un système de ventilation ingénieux, les termites parviennent à maintenir une température quasiment constante à l’intérieur des termitières, malgré de très fortes variations de température à l’extérieur (entre plus de 40° C le jour et 0° C la nuit).

Le challenge : Harare, la capitale du Zimbabwe, connaît d’importants écarts de température entre la nuit et le jour. Pourtant, des promoteurs immobiliers ont souhaité y faire construire un immense centre commercial qui ne nécessiterait pas l’usage d’air conditionné.

La solution : Pour réaliser cet édifice de plus de 30  000 m2, l’architecte Mick Pearce a imité le système perfectionné de galeries des termitières. En 1996, son Eastgate building est la première construction de cette envergure dotée d’un système de ventilation naturelle, dite passive. Sa structure est fabriquée à partir de matériaux affichant de bonnes performances thermiques : la brique et le béton achetés localement. Pendant la journée, la chaleur est absorbée et stockée dans l’immeuble. Dans le même temps, l’air chaud va entrer par les nombreuses ouvertures et être évacué grâce aux cheminées installées sur le toit, créant ainsi un courant d’air naturel. La nuit, les murs libèrent la chaleur emmagasinée le jour et c’est au tour de l’air frais d’être accumulé. La fraîcheur nocturne sera utilisée le lendemain pour climatiser l’ensemble du complexe. Grâce à ce système, l’Eastgate building conserve une température stable de 25° C en utilisant 90 % d’énergie en moins qu’un immeuble traditionnel pour la climatisation, ce qui a représenté une économie de 3,5 millions de dollars les cinq premières années.

Comment ça marche ? Un exemple d’architecture inspirée des termites

3 LA BALEINE À BOSSE & LES ÉOLIENNES

L’observation de la nature : La baleine à bosse est un animal incroyable : ce mastodonte qui mesure de 10 à 15 mètres et pèse en moyenne 30 tonnes nage avec une fluidité et une rapidité déconcertantes. Cette agilité, elle la doit à ses nageoires pectorales recouvertes de tubercules, l’une des particularités de ce cétacé (les autres baleines possèdent des nageoires à bord lisse).

Le challenge : Les éoliennes sont des sources d’énergie propre et renouvelable qui présentent de nombreux atouts. Malheureusement, leur rendement est intermittent et limité. Leur production d’électricité dépend en partie de la traînée, la résistance de l’air qui va ralentir la pale, et de la poussée, qui correspond à la force exercée par le vent.

La solution : Des chercheurs de l’université Harvard étudient depuis plusieurs années les nageoires « dentelées » des baleines à bosse. Des tests conduits en 2004 à l’United States Naval Academy ont montré que les tubercules engendrent une réduction de 32 % de la traînée et une augmentation de 6 % de la poussée, comparés à une nageoire à bord lisse. Frank Fish, professeur de biologie et président de WhalePower, une entreprise canadienne qui développe des technologies basées sur ces recherches, a ajouté des tubercules sur des pales d’éoliennes, ce qui a permis d’améliorer les performances de 20 %.

Comment ça marche ? Whale-Inspired Wind Turbines
 

4 LE TÉNÉBRION DU DÉSERT & LES SYSTÈMES DE COLLECTE D’EAU DE BROUILLARD

L’observation de la nature : Le ténébrion du désert vit dans les dunes arides du désert du Namib. Pour survivre dans cet environnement hostile, le petit coléoptère de deux centimètres collecte l’humidité du brouillard. Tous les jours, il se place sur le haut des dunes, se dresse sur ses pattes antérieures et attend que le brouillard se condense pour former des gouttes d’eau sur son dos.

Le challenge : Dans les régions les plus arides du monde, les populations – qui comptent parmi les plus pauvres et vulnérables – peinent à satisfaire leurs besoins primaires en eau, pour boire, cuisiner et se laver. Pour ces personnes, l’accès à l’eau est une question de survie

La solution : Dès 2001, des chercheurs expliquent le fonctionnement du système de collecte de l’eau par le ténébrion du désert et affirment qu’il est possible de l’imiter facilement et à grande échelle. Leur publication parue dans Nature va inspirer des scientifiques dans le monde entier qui développent des matériaux de plus en plus avancés capables de recueillir l’eau du brouillard dans les zones sèches et arides. Récemment, une équipe du MIT a découvert que des filets plus grands avec des tissages plus étroits peuvent absorber et libérer cinq fois plus d’eau que les systèmes existants.

Comment ça marche ? How to get fresh water out of thin air
 

5 LA LUCIOLE & LES DIODES ÉLECTROLUMINESCENTES (LED)

L’observation de la nature : C’est grâce à la lumière qu’elles diffusent que les lucioles sont capables de repérer leurs partenaires sexuels, d’attirer leurs proies ou de s’éclairer. Ce phénomène se produit à l’intérieur d’un organe situé à l’extrémité de l’abdomen par une réaction chimique qui provoque l’émission de photons. Chez certaines espèces de lucioles, l’organe bioluminescent est recouvert d’écailles infimes formant un revêtement en dents de scie qui augmente considérablement la luminosité produite, 50 % de lumière en plus que s’il s’agissait d’une surface plane.

Le challenge : Les LED présentent de nombreux avantages, tant en termes d’économie d’énergie que d’efficacité. Mais leur rendement lumineux n’est pas optimal, car une importante proportion de la lumière émise est perdue.

La solution : Pour améliorer la luminosité des LED, des scientifiques français, belges et canadiens les ont entourées d’un revêtement dentelé semblable à celui qui entoure l’organe bioluminescent de la luciole. Ils sont ainsi parvenus à augmenter l’intensité lumineuse d’une LED classique de 55 %.

Comment ça marche ? Scientists Mimic Fireflies to Make Brighter LEDs