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La nature a eu 3.8 milliards d’années d’évolution pour perfectionner ses processus de survie – depuis la conception des ailes des oiseaux jusqu’à la méthode de pollinisation des fleurs. En revanche, les humains n’existent que depuis une fraction de la durée de vie de la Terre, et pourtant nous cherchons constamment à nous inspirer de la nature. Tout au long de cette période, la nature a fourni une sorte de modèle à suivre à l’humanité.
La nature est parfaite dans son caractère unique, efficace, économe en ressources et autonome. Les conceptions et les processus développés ont été testés pendant des millions d’années, prouvant leur efficacité dans divers environnements.
Par exemple, la structure hexagonale utilisée par les abeilles pour construire leurs ruches. La haute résistance et la stabilité de la géométrie le rendent idéal pour les abeilles, tout en utilisant efficacement une quantité minimale de matériau. Aujourd’hui, les humains appliquent cette structure dans divers domaines, des avions et vaisseaux spatiaux à la construction et à l’emballage. Le biomimétisme fait référence à l’étude et à l’imitation de conceptions et de processus naturels à des fins pratiques. Dans cet article, nous explorerons certaines des conceptions et processus proposés par la nature et comment ils ont été adaptés pour créer des structures artificielles plus durables.
Avions
L’avion est l’exemple le plus célèbre et le plus ancien de biomimétisme. On pense que le vol des pigeons a inspiré les frères Wright à créer le premier avion, qu'ils ont lancé en 1903. De la forme de l'oiseau et du fonctionnement de ses ailes à la façon dont l'oiseau glisse dans les airs, tous ces éléments ont servi comme plans pour les avions modernes. Ces caractéristiques sont soigneusement étudiées et les scientifiques s’efforcent de les reproduire.
Les concepteurs d'avions façonnent les ailes pour imiter la surface incurvée de l'aile d'un oiseau, créant une différence de pression atmosphérique au-dessus et au-dessous de l'aile pour générer une portance. Les gouvernails à la queue de l'avion imitent les plumes de la queue d'un oiseau pour assurer l'équilibre et le contrôle directionnel. En appliquant des principes de conception naturels, les scientifiques ont créé une machine plus lourde que l’air et capable de voyager dans le ciel. Outre les avions commerciaux, la formation en forme de V des oiseaux, comme les oies, a également été étudiée.
La formation en forme de V aide à conserver l'énergie en capturant le courant ascendant de l'oiseau devant, réduisant ainsi la quantité d'énergie requise par l'oiseau derrière pour rester en l'air. Les escadrons militaires appliquent ce principe pour maximiser l’efficacité énergétique.
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Velcro
L'ingénieur suisse George de Mestral a inventé le Velcro en 1941 après être revenu d'une promenade en forêt et avoir remarqué des bavures de bardane collées sur ses vêtements et sur la fourrure de son chien. En les examinant au microscope, de Mestral a constaté que les bavures avaient de minuscules crochets sur leurs graines, ce qui les faisait s'accrocher aux vêtements et à la fourrure.
Inspiré par la conception du crochet, de Mestral a créé Velcro, un système composé de deux parties. Un côté comportait de minuscules crochets, tandis que l’autre côté comportait de petites boucles. Lorsque les deux côtés étaient pressés l’un contre l’autre, les crochets s’accrochaient aux boucles, formant ainsi un lien solide. Cependant, la connexion a été conçue pour être suffisamment solide pour tenir mais suffisamment facile à séparer avec une force suffisante.
Aujourd'hui, le Velcro est utilisé dans une large gamme d'articles, des vêtements et sacs aux bandages médicaux et organisateurs de câbles. En fait, NASA a également utilisé du Velcro pour sécuriser des objets dans des conditions d'apesanteur. Inspiré par la conception simple mais efficace de dispersion des graines, le Velcro est devenu un élément omniprésent dans la vie quotidienne. Il constitue une alternative aux boutons et aux fermetures éclair, offrant des avantages tels que la facilité d'utilisation, la réutilisation et l'efficacité.
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Les termites
Les termitières sont une structure remarquable créée par les termites pour offrir un abri et réguler le cadre de vie de leur colonie. Fabriqués à partir de terre, de bois mâché, de terre et de salive, ces monticules comportent une structure de ventilation centrale semblable à de la fumée reliée à des tunnels et des chambres souterraines. Cette conception permet de maintenir un environnement optimal dans les zones souterraines.
L'air chaud monte à travers la structure centrale, permettant à l'air plus frais d'entrer par les ouvertures inférieures. Cela garantit que l’environnement à l’intérieur des monticules est maintenu, quelles que soient les conditions extérieures. La conception facilite également la ventilation et les échanges gazeux. Ces structures peuvent atteindre jusqu’à 9 mètres de hauteur et tenir debout pendant des décennies, démontrant ainsi leur durabilité.
Inspirés par les termitières, les architectes ont conçu des bâtiments qui imitent cette structure. L'un des exemples les plus connus est celui de l'Eastgate Centre au Zimbabwe. Conçu par Mike Pearce, l'Eastgate Centre vise à maintenir un climat contrôlé pour les occupants dans un climat chaud tout en réduisant la consommation d'énergie pour le refroidissement.
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Surfaces autonettoyantes
Bien qu’il existe dans une eau trouble, le lotus reste propre grâce au caractère ultrahydrophobe de ses feuilles. De minuscules bosses recouvertes de cire recouvrent la surface de la feuille de lotus, provoquant le déplacement de gouttelettes d'eau, entraînant avec elles la saleté et les débris. Les nanostructures à la surface de la feuille (ces minuscules bosses) réduisent l'adhésion des gouttelettes d'eau, leur permettant ainsi de capter les particules de poussière. Ce phénomène est connu sous le nom d’« effet lotus », terme introduit pour la première fois en 1977 par Barthlott et Ehler, qui décrivaient les propriétés autonettoyantes de la feuille de lotus.
Depuis, les scientifiques explorent des revêtements inspirés des feuilles de lotus et autonettoyants. La société américaine Sto Corp. a développé une peinture inspirée de l'effet lotus, qui repousse la saleté et la crasse.
Outre les peintures, tissus et revêtements autonettoyants, cette méthode est également utilisée pour développer des matériaux pour les capteurs solaires thermiques, les capteurs de contrôle de la circulation et les auvents.
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Trains à grande vitesse japonais
Les martins-pêcheurs sont des oiseaux incroyablement agiles et rapides qui fondent sur leurs proies pour les attraper. Ils s’approchent tranquillement, surtout près des plans d’eau, pour éviter de surprendre leurs prises. La conception unique du bec du martin-pêcheur lui confère cet avantage. Il présente un bec étroit, long et pointu, dont le diamètre augmente de la pointe à la base. Cette conception aide à répartir la pression créée lors du contact avec l'eau, réduisant ainsi le bruit des éclaboussures et garantissant une plongée efficace, silencieuse et stable.
Les ingénieurs japonais qui ont développé le train à grande vitesse Shinkansen ont d'abord été confrontés au problème d'un fort boum dans le tunnel provoqué par la pression atmosphérique créée à l'avant du train.
Pour résoudre ce problème, les ingénieurs se sont penchés sur la conception du bec du martin-pêcheur. Ils ont redessiné l'avant du train pour imiter la forme du bec, éliminant ainsi la flèche du tunnel. Cette conception a également permis au train de se déplacer 10 % plus rapidement et de consommer 15 % d'électricité en moins.
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Des innovations inspirées de la peau de requin
Les requins sont connus pour leur vitesse et leur capacité à nager sous l’eau. Il n'est pas surprenant que les scientifiques aient tenté de reproduire la peau de requin pour diverses applications, notamment la fabrication de maillots de bain et de revêtements antibactériens. La peau de requin est constituée de minuscules structures ressemblant à des dents, appelées denticules dermiques, qui sont lisses dans un sens et dentelées dans l'autre. Ces denticules dermiques remplissent deux fonctions : ils agissent comme une armure protectrice et améliorent les mouvements dans l’eau.
Le terme denticules dermiques s'est avéré être un outil puissant pour les requins. En perturbant l'écoulement de l'eau grâce à leurs bords dentelés, les denticules dermiques réduisent la traînée subie par le requin lorsqu'il se déplace dans l'eau, lui permettant de nager rapidement, efficacement et silencieusement. Ces structures empêchent également les micro-organismes de s'attacher à la peau du requin. Les minuscules crêtes le long de la surface de la peau empêchent les auto-stoppeurs indésirables de prendre un tour gratuit.
Inspirés par cette surface unique, les scientifiques l'ont reproduite pour des maillots de bain afin d'améliorer leurs performances. Ces maillots ont connu un tel succès aux Jeux olympiques que l'un d'entre eux, le Speedo LZR Racer, a été interdit par la Fédération internationale de natation.
Cependant, certains chercheurs affirment que les maillots de bain inspirés de la peau de requin augmentent en réalité la traînée plutôt que de la réduire. Le corps d'un requin est beaucoup plus flexible que celui d'un humain, c'est pourquoi les denticules dermiques aident à réduire la résistance. Bien que les maillots de bain aient été développés en observant la peau de requin, leur succès pourrait être le résultat d'un processus d'essais et d'erreurs plutôt que d'une réplication directe des avantages hydrodynamiques du requin.
La peau de requin a également été étudiée pour le développement de technologies médicales, comme les feuilles de plastique appliquées sur les murs des hôpitaux. Ces feuilles aident à prévenir la propagation des bactéries et autres micro-organismes nuisibles, car elles sont incapables d’adhérer aux murs.
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Structures en nid d'abeille
Comme mentionné en introduction, la structure en nid d’abeille utilisée par les abeilles est une forme géométrique très efficace. La raison pour laquelle les abeilles ont choisi la forme hexagonale fait l’objet d’un intérêt scientifique depuis l’époque de Charles Darwin, qui émettait l’hypothèse que cette forme était adaptée pour optimiser le processus de production de cire. Cette forme maximise l'espace de stockage disponible tout en utilisant le moins de cire possible.
En 1999, le mathématicien américain Thomas Hales a prouvé que l'hexagone minimise le périmètre et maximise l'espace tout en utilisant le moins de matière possible. C’est ce qu’on appelle la « conjecture en nid d’abeille ». En plus de stocker la cire, les cellules hexagonales protègent et retiennent également les larves, garantissant ainsi que la cire ne fond pas dans les climats chauds.
Inspirés par les abeilles, les scientifiques appliquent la géométrie aux miroirs d'avion, aux matériaux de construction et aux pales d'éoliennes. La conception met l'accent sur l'efficacité des ressources, la réduction du poids et des coûts des matériaux.
Plus précisément, les miroirs du télescope spatial James Webb (JWST) sont constitués de 18 segments hexagonaux disposés selon un motif en nid d'abeille. Cette géométrie maximise la surface de capture de la lumière tout en maintenant l’intégrité structurelle et en minimisant le poids, ce qui est crucial pour les missions spatiales.
Ce ne sont là que quelques exemples de biomimétisme et de la manière dont la nature inspire des conceptions et des innovations efficaces. Cette liste n’est en aucun cas exhaustive et ne fait qu’évoquer les améliorations apportées par la nature à ses structures et processus. Aujourd’hui, les scientifiques étudient de nombreux systèmes et processus naturels pour améliorer les technologies existantes.
La nature continue d'évoluer et d'optimiser ses systèmes, ce qui profite non seulement au monde naturel, mais incite également les gens à créer des innovations dont ils peuvent s'inspirer.
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