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Bioinspirés, la nouvelle vie des polymères
S’inspirer de ce que la nature fait de mieux : voilà la raison d’être du biomimétisme, cette science qui, sans être spécialement récente, a trouvé un nouveau souffle notamment grâce aux polymères, ceux-ci montrant, une fois de plus, un incroyable sens de l’adaptation.
Bioinspirés, la nouvelle vie des polymères
Bioinspirés, la nouvelle vie des polymères

Les polymères se mettent à la mécanique

Le nylon, l'ancêtre du biomimétisme moderne

Le biomimétisme… Rien de nouveau sous le soleil, diront les esprits les plus chagrins. N’était-ce pas déjà l’un des principes de Léonard de Vinci quand il a conçu un char d’assaut directement inspiré d’une carapace de tortue, ou encore des engins volants reprenant la biomécanique d’une aile de chauve-souris ? Certes, mais le biomimétisme n’est pas que mécanique, il est également chimique et s’appuie sur les avancées de l’industrie dans ce domaine, notamment celle des polymères. L’invention du Velcro en est la parfaite illustration. L’anecdote est désormais célèbre. En 1941, au retour d’une balade en forêt, Georges de Mestral, un ingénieur suisse, constate combien il est difficile d’enlever les fleurs de bardane fixées à ses vêtements. Plutôt que de s’énerver, il les observe au microscope et constate qu’elles sont munies de petits crochets suffisamment élastiques pour s’accrocher aux fibres du tissu.

bioinspirés velcro

L’idée lui vient de reproduire de façon synthétique cette fleur, en vue de concurrencer la fermeture à glissière. Avec l’aide d’un industriel, ils réussissent à mettre au point un système composé de deux bandes du tout jeune Nylon – un polyamide –, l’une munie de microboucles et la seconde de microcrochets. Le brevet est déposé en 1951 et l’invention baptisée Velcro, une contraction de « velours » et « crochet ». Le succès est immédiat. Mais ce qu’ignore encore Georges de Mestral, c’est que, en même temps, il vient d’inventer le biomimétisme moderne.

Les composites ont le nez creux

La nature a beaucoup de chance, elle a eu des millions d’années pour s’adapter à son environnement. C’est le cas de certaines espèces animales qui ont su peaufiner leur morphNez shinkansenologie pour gagner en aérodynamisme ou en hydrodynamisme. Ainsi, l’homme n’a plus qu’à observer pour s’inspirer. Le Concorde ne ressemblait-il pas à une grue cendrée en vol ? Parfois, les observations peuvent prendre plus de temps. C’est le cas pour les ingénieurs japonais concepteurs du Shinkansen, le train à grande vitesse, qui roule à plus de 300km/h. Ces ingénieurs étaient confrontés à un problème : à chaque entrée dans un tunnel, le train compressait l’air, qui se détendait quelques dixièmes de seconde plus tard. Ce phénomène physique provoquait un ralentissement du train et, surtout, une énorme explosion sonore largement au-dessus des normes admises pour le confort des passagers.

Persuadés qu’il existait dans la nature une solution à leur problème, ils se mirent à étudier toutes sortes d’animaux pouvant être confrontés au même problème. C’est le martin-pêcheur qui a retenu leur attention. Cet animal est en effet capable de plonger dans l’eau sans perdre de vitesse et sans faire de remous. Voilà pourquoi le nez de ce train a cette forme si particulière, directement inspirée du bec de cet oiseau plongeur. Quant à sa fabrication, il s’agit d’une structure composée d’une résine époxyde et d’un mélange de fibre de verre et de carbone. Un process parfaitement maîtrisé, qui permet la réalisation en grande série de pièces au design très évolué.

Des bosses pour moins d'à-coups

A l’instar du train japonais, les exemples de ce genre sont nombreux. Certains sont même tellement surprenants qu’il paraît légitime de se demander ce qui a bien pu passer par la tête des chercheurs. En effet, pour tout le monde, ou presque, difficile de trouver le point commun entre une éolienne et… une baleine. Pourtant, c’est bien à la prestigieuse faculté d’Harvard, aux Etats-Unis, qu’est né le concept d’éolienne à bosse. Il faut tout de même dire que les baleines à bosse sont un sujet d’étude de longue date. Nombre de biologistes se sont demandé comment cet animal mystérieux pouvait, malgré son immense masse, être aussi agile. Remarquant la forme particulière des nageoires, et plus particulièrement des excroissances sur leur bord, les chercheurs d’Harvard en ont fait un modèle mathématique.

Le résultat a été sans appel : ce sont ces excroissances aux qualités hydrodynamiques extraordinaires qui expliquent l’agilité du mastodonte. Cette découverte devait inspirer un fabricant canadien d’éoliennes, qui décida de tester un nouveau type de pale munie d’excroissances rappelant celles de la baleine. Excellente idée, puisque cette invention a permis de réduire le bruit, d’accroître la stabilité et de « capturer » encore plus d'énergie à partir du vent. Plus stable, cette pale est donc moins sollicitée, ce qui permet une construction un peu plus légère, là encore à partir de matériaux composites à base d’un mélange de fibre de verre, de fibre de carbone, de résine polyester et de résine d’époxy.

Un petit pic pour éviter un gros choc

Le casque de moto est-il efficace ? Oui, s’il répond aux normes actuelles. Pour cela, il doit satisfaire à différents tests, dont le plus remarquable consiste à le lâcher d’une hauteur de 15m sur un cylindre en acier, ce qui correspond à un impact à 100km/h sur un poteau. Cependant, si ce même casque devait endurer ce qu’encaisse un pic épeiche (un oiseau qui creuse des trous de 10cm dans les arbres pour trouver sa nourriture et qui peut donner jusqu’à 10 000 coups de bec par jour), il y a fort à parier qu’il volerait en éclats malgré les hautes qualités de robustesse du polycarbonate qui entrent dans sa composition. Et pour cause, à chaque frappe, la tête du pic est soumise à une pression qui tuerait n’importe quel humain, même protégé par un casque. Ses secrets sont multiples, son bec très dur repose sur un coussin absorbant, une autre couche élastique part de la base la langue et englobe un crâne particulièrement résistant.

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Enfin, unPic-epeichee couche d’os spongieux enveloppe le cerveau. James Powell, un ingénieur anglais, a conçu un casque inspiré du pic épeiche. Comme l’oiseau, il dispose de quatre couches, une première en fibre de carbone pour la rigidité, la deuxième est classiquement une mousse de polyuréthane pour son pouvoir d’absorption, la troisième est en fibre de verre, aussi fibreuse qu’un os et qui empêche l’onde de choc de se propager vers le centre (le cerveau), enfin, des microbilles sont injectées entre les deux premières couches pour reproduire l’os du crâne. Les essais via ordinateur semblent concluants… Il ne reste plus qu’à trouver un industriel intéressé par le projet.

La libellule au secours de la girafe

Le « voile noir », c’est ce phénomène bien connu des pilotes de chasse qui peut leur faire perdre connaissance lors de très fortes accélérations. Lors d’un vir180228age serré, le pilote se retrouve soumis à une force pouvant aller jusqu’à dix fois son propre poids (soit 10g*). C’est énorme ! Les organes peuvent se déplacer d’une quinzaine de centimètres, et le sang s’accumule dans le bas des membres. Le cerveau est moins irrigué, c’est la syncope, le « voile noir » dans le jargon des pilotes. Dès les années 1960, ce problème fut réglé avec l’apparition de combinaisons anti-g. Une invention qui s’inspirait directement du cou de la girafe. Il faut en effet savoir que, pour irriguer son cerveau, une girafe a une pression sanguine deux fois plus élevée que celle d’un humain. En toute logique, lorsqu’elle se baisse pour boire, la pression sanguine dans le cerveau devrait être tellement élevée que l’animal devrait perdre connaissance.

Ce n’est pourtant pas le cas, et cela s’explique par la présence, dans le cou de la girafe, de petits muscles qui se contractent de manière à contrôler le débit sanguin. Ce principe a été repris à la fin des années 1950 sur les combinaisons des pilotes, qui ont été munies de petits coussins gonflables d’abord en caoutchouc puis en vinyle. Cette méthode a cependant atteint ses limites avec l’apparition des nouvelles générations d’avions capables de soumettre leur pilote à des pressions de plus de 10g.

libéllule

C’est de nouveau un animal, un insecte cette fois, qui a inspiré les nouvelles combinaisons. La petite libellule semble en effet insensible aux effets de l’accélération. Elle supporte aisément des pressions de 30 g lors de ses changements brutaux de direction. Son secret : elle n’a ni veine ni artère, son sang coule dans tout son corps, sa circulation est assurée par le cœur, qui flotte également dans le liquide. Son sang agit finalement comme une sorte de rembourrage liquide. Les combinaisons modernes sont désormais remplies de 2l d’eau, qui circule librement et comprime automatiquement les parties basses du corps lorsque la gravité est trop forte. Difficile de savoir quels matériaux les composent. Secret défense ou presque… Seule certitude, les fibres polymères sont forcément à l’honneur, car ces combinaisons doivent être à la fois souples et… étanches.

* Le g (« g » étant l’initiale de « gravité ») est une unité d’accélération correspondant approximativement à l’accélération de la pesanteur à la surface de la Terre.

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