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Emprunter le génie du vivant

LUDOVIC FERY lfery@industrie-technologies.com

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Économiser les ressources, réduire les nuisances ou encore gérer la complexité. Ces nouveaux défis pour l'industrie ont déjà été relevés au cours des 3,8 milliards d'années d'évolution du vivant. Alors pourquoi ne pas s'inspirer de la nature pour résoudre un problème ? C'est une démarche originale d'innovation, qui séduit de plus en plus les industriels. Mode d'emploi.

En panne d'innovations ? Pourquoi n'iriez-vous pas faire un tour en rase campagne ? C'est sûrement le conseil que vous donnerait Georges de Mestral, l'inventeur du célèbre Velcro. Dans les années 1940, cet ingénieur suisse amateur de parties de chasse remarque des graines accrochées au bas de son pantalon. Au microscope, il découvre, au lieu de poils, des crochets fins et rigides. Dix ans plus tard, il brevette un système d'attache réversible qui reproduit sur une face la structure végétale, et sur l'autre l'aspect bouclé du textile. Un demi-siècle plus tard, voici l'innovation adoptée par des millions de consommateurs sur des sandales à scratchs ou sur des vestes étanches.

L'exemple du velcro est souvent cité comme la naissance historique du biomimétisme, une démarche qui consiste à observer et comprendre les mécanismes utilisés par le vivant afin de les reproduire artificiellement. Toutefois, ce n'est que depuis quelques années que les innovations bioinspirées connaissent un véritable essor. Une tendance à relier avec la raréfaction des ressources. Le vivant, du haut de ses 3,8 milliards d'années d'évolution, a su faire un usage parcimonieux des matériaux : « alors que notre industrie repose sur pléthore d'intermédiaires chimiques, la nature a appris à tout faire avec seulement cinq polymères », explique Emmanuel Delannoy, fondateur de l'institut Inspire, association créée pour promouvoir le biomimétisme en France. En outre, à l'instar de l'araignée qui tisse sa toile ou des mollusques marins qui forment leur coquille, et contrairement à l'homme, les espèces animales ou végétales ne fabriquent jamais en excès.

Le désordre mis à profit pour moins de gaspillage

En 2000, ce constat a inspiré les ingénieurs d'InterfaceFlor, fabricant de dalles de moquettes à usage professionnel. Ces derniers se sont posé la question suivante : comment la nature fait-elle pour recouvrir un sol ? Une sortie en forêt a vite révélé qu'il n'y avait pas d'arrangement particulier dans l'étalement des feuilles sur le sol, mais que déplacer un élément ne modifiait pas son apparence uniforme. Cette organisation, à la fois anarchique et ordonnée, a donné l'idée du produit Entropy, des dalles de moquette amovibles et avec des motifs aléatoires. Son développement ne s'est pas fait sans mal : « d'une certaine façon, nous avons dû mettre du chaos dans notre outil de production, ce qui n'a d'abord pas été du goût des ingénieurs », explique Nigel Stansfield, vice-président senior pour les produits et les innovations du groupe en Europe. En effet, la fabrication consiste à insérer des fils de contraste et de motifs différents sur une même dalle. Les dalles Entropy peuvent être posées dans n'importe quel sens, et n'importe où, sans nuire à l'aspect homogène de l'ensemble. Atout de taille, Entropy ne génère que 1 à 2 % de déchets à la pose, quand celle d'un rouleau de moquette classique en génère environ 12 %.

Des synergies industrielles reproduisent un écosystème

Pionnière dans l'approche industrielle du biomimétisme, InterfaceFlor veut maintenant intégrer plusieurs fonctions inspirées du vivant dans ses dalles. Outre le motif aléatoire, la société imite, dans la technique de collage, la façon dont les geckos adhèrent aux surfaces. Comme ce lézard qui s'accroche par un seul point de sa patte, la dalle n'adhérera au sol qu'au niveau de ses coins, via un petit patch collant. Lequel émet moins de polluants que les grandes surfaces de colle qui maintiennent d'habitude ce type de revêtement. Chaque dalle pourra ainsi être remplacée trois à quatre fois sans remplacer le patch.

Le gecko, la litière, les graines des plantes... La forêt a certainement encore beaucoup d'autres secrets à livrer. La regarder d'une façon globale peut aussi s'avérer utile. Par exemple, l'homme devrait considérer de plus près la disposition des végétaux, des petites herbes à la cime des arbres, qui assurent une capture optimale des rayons du soleil. Dans l'idéal, les centrales photovoltaïques du futur seront efficaces même avec un faible taux d'ensoleillement. Déjà, des encres photoélectrochimiques, qui veulent imiter la photosynthèse, fonctionnent à des luminosités plus faibles. Celle de l'australien DyeSol produit par exemple de l'électricité dès 30 % de luminosité.

De même, dans n'importe quel écosystème, les organismes coopèrent de façon à partager les ressources, ou encore transforment les déchets en ressources pour d'autres organismes. Pourquoi ne pas faire de même avec les usines ? Ce concept, baptisé écologie industrielle, commence à prendre forme en France. En particulier sur le site agro-industriel de Pomacles-Bazancourt (Champagne-Ardenne), qui réunit des industriels d'horizons différents, mais avec de nombreuses synergies entre eux. L'unité de production d'éthanol de maïs Cristanol récupère ainsi, pour son procédé de fermentation, le blé de qualité insuffisante du producteur de sirop Chamtor, et les jus issus de la transformation des betteraves du sucrier Cristal Union. Un coproduit de Chamtor, qui lui sert de catalyseur, est aussi acheminé via une canalisation entre les deux usines. « Comme l'unité de bioéthanol émet beaucoup de dioxyde de carbone, une synergie est née avec Air liquide qui a installé à proximité une unité de capture de CO2. Ce dernier pourrait à termes être réinjecté dans un bassin de microalgues pour produire du carburant », complète Benoit Trémeau, secrétaire général du projet de bioraffinerie Futurol, également implanté sur le site.

La nature dans le réseau

Pour des procédés industriels aussi essentiels que la transformation, la filtration ou l'extraction de molécules, la nature est aussi porteuse de solutions, et presque toujours sans avoir recours ni à des hautes températures ou pressions, ni à des solvants toxiques. À l'image de cette entreprise australienne, Baleen Filters, qui commercialise un système de filtration pour eaux usées entièrement mécanique, inspiré de la façon dont la langue de la baleine se meut pour capturer un maximum de nourriture. Ou encore cette société américaine, Calera, qui, sur le modèle des coquillages, projette de minéraliser le CO2 des usines en bicarbonate, puis en carbonate de calcium qui servira plus tard à la production de béton.

Dans un monde bioinspiré, les grands pôles industriels de demain pourraient fonctionner de manière « plus organique », et en boucle fermée. Même les procédés les plus complexes techniquement, comme la gestion d'électricité ou le calcul informatique, pourraient tirer parti du biomimétisme.

Ingénieurs et informaticiens de formation, Roman Kulyk et Mark Kerbel ont toujours été fascinés par la communication des abeilles, en particulier par la façon qu'a chaque individu de contribuer à la survie du groupe. En s'intéressant au secteur de l'énergie, les deux compères ont vu l'opportunité de transférer ce phénomène appelé émergence à la gestion des pics dans la demande d'électricité. En 2005, ils fondent leur société Regen Energy et commercialisent leur antenne EnviroGrid. Cette dernière est placée au niveau de chaque équipement électrique d'un bâtiment ou d'une usine, et reliée au boîtier central de commande. La consommation d'électricité est ainsi relevée localement toutes les deux minutes, et communiquée à l'ensemble du réseau. Grâce à un logiciel, le système apprend les cycles d'utilisation de l'électricité et, en dehors des périodes de pointe, déconnecte, via les antennes EnviroGrid, tel ou tel appareil. Selon Mark Kerbel, leurs capteurs inspirés des abeilles ont à la fois l'avantage de simplifier l'infrastructure électrique, et de baisser drastiquement les coûts de maintenance en automatisant la gestion.

Plus récemment, c'est le groupe IBM qui s'est intéressé à une autre entité vivante pour développer une puce informatique capable d'auto-apprentissage. Son modèle n'est autre que... le cerveau humain ! Avec des circuits en silicium et des algorithmes complexes, les chercheurs de Big Blue ont imité le fonctionnement biologique des neurones et de leurs interconnexions, les synapses. Résultat : une puce capable de s'adapter en fonction de son environnement, en changeant la nature de ses interconnexions, tout en restant aussi peu gourmande en énergie que le cerveau humain (qui consomme moins qu'une ampoule de 25 watts). Un ordinateur qui aurait de la mémoire, ferait des associations d'idées ou émettrait des hypothèses... Cela ne vous rappelle rien ?

MARCHÉ

Les cent produits phares issus du biomimétisme ont dégagé un chiffre d'affaires d'environ un milliard d'euros entre 2005 et 2008, selon l'Ohio State University.

La cellule solaire qui mime la photosynthèse

Comme la feuille d'arbre qui absorbe l'énergie du soleil grâce à un pigment, une nouvelle génération de cellules solaires reproduit la première étape de la photosynthèse. Ici, ce n'est pas la chlorophylle mais une encre sensible à la lumière qui est excitée par les photons. Cela génère l'émission d'un électron qui circule, un peu comme dans la membrane des chloroplastes, entre un semi-conducteur et un électrolyte. Pour l'australien Dyesol, il s'agit respectivement de nanoparticules de dioxyde de titane et de l'électrolyte iodure/triiodure. Ces cellules ont l'avantage d'être fabriquées à température modérée, par simple impression : « l'énergie nécessaire à les produire est compensée dès six mois de fonctionnement, contre trois à quatre ans pour les panneaux en silicium traditionnels », met en avant Damion Milliken, directeur R&D de Dyesol. Le rendement, inférieur à 10 %, reste toutefois à améliorer.

LES TROIS MODÈLES DE BIOINSPIRATION

LES STRUCTURES Les pales d'éoliennes de la société WhalePower sont façonnées pour ressembler aux tubercules présents sur les nageoires de baleines, afin de réduire considérablement la traînée. LES SYSTÈMES Pour gérer les pics dans la demande d'électricité, Regen Energy s'inspire de la façon dont les abeilles communiquent entre elles au sein d'une même communauté. LES MATÉRIAUX L'américain Columbia Forest Product commercialise une colle à bois dont la composition chimique est proche de celle des fils sécrétés par la moule pour adhérer aux rochers. Elle se passe donc du toxique formaldéhyde.

CONSEILSDix conseils pour copier la nature

1. Utiliser les déchets comme ressources. 2. Employer les matériaux avec parcimonie. 3. Ne pas épuiser les ressources non renouvelables. 4. Ne pas polluer son environnement immédiat. 5. Se diversifier et coopérer pour exploiter au mieux les ressources. 6. Capter et utiliser l'énergie avec efficacité. 7. Optimiser plutôt que maximiser. 8. Maintenir l'équilibre avec la biosphère. 9. Se nourrir d'informations. 10. Se fournir localement.

Des élastomères autoréparants comme la peau

Ressouder un matériau par simple contact, sans chauffage ni collage. En 2008, ce tour de force accompli par un chercheur français avait fait grand bruit. Depuis, le chimiste Arkema qui finançait les travaux poursuit le développement du fameux polymère. En fait, le phénomène est bien connu : « contrairement aux polymères classiques, réparés en créant des liaisons chimiques irréversibles, le nôtre se recolle de façon réversible à température ambiante grâce à la reformation des liaisons hydrogène », explique Jean-Pierre Disson, responsable du produit Reverlink chez Arkema. Dans la nature, ces liaisons assurent l'intégrité de l'ADN ou de la molécule d'eau. Même s'il évoque la cicatrisation de la peau, le polymère n'implique donc pas de création de matière, simplement l'adhésion entre des groupements exposés en surface des extrémités coupées.

Il faut traduire la biologie dans le langage des ingénieursGauthier Chapelle Fondateur du bureau d'études Greenloop

IT : Pourquoi les industriels s'intéresseraient au biomimétisme ? Gauthier Chapelle : Les industriels ont aujourd'hui deux types de préoccupations : soit optimiser un produit ou un procédé existant, soit aborder une problématique entièrement nouvelle. Même quand cette préoccupation semble concerner uniquement les humains, le vivant, fruit de 3,8 milliards d'années d'évolution, peut apporter des solutions. Un exemple célèbre est celui du train à grande vitesse, le Shinkansen : les ingénieurs japonais voulaient un véhicule qui passe dans les tunnels en subissant un minimum de turbulences. Ce problème purement mécanique a finalement été résolu en imitant la forme du bec du martin-pêcheur, avec lequel il peut entrer dans l'eau sans être trop ralenti. IT : Quelles étapes clés faut-il franchir pour transformer une invention de la nature en innovation ? Le biomimétisme est une démarche où la biologie intervient à plusieurs niveaux. Dès le départ, un industriel avec une problématique précise doit se demander comment la nature ferait à sa place. Par exemple en se demandant comment elle rend une surface imperméable. L'idéal est alors de faire appel à des biologistes qui vont établir une première liste d'organismes ou de structures naturelles qui repoussent l'eau. À ce stade, les ingénieurs opèrent un tri pour retenir seulement les solutions les plus faisables techniquement : ce n'est en effet pas la même chose de reproduire la cuticule d'un insecte, ou le revêtement d'une plante, même si les deux ont la même fonction imperméable. Une fois les voies biologiques sélectionnées, un second détour par la littérature scientifique s'impose pour approfondir les mécanismes en jeu. Reste enfin à traduire le langage des biologistes en termes d'ingénieurs, ce qui demande du temps : ce sont deux mondes différents qui ont en particulier une définition divergente de l'optimisation. Ces bases posées, le développement peut commencer. IT : Est-ce que le biomimétisme est forcément durable ? Pas toujours. Des chercheurs font des drones qui s'inspirent du vol des insectes, sans pour autant chercher à employer des matériaux ressemblants. Mais, lorsque l'on parle d'une production de type industrielle, je pense qu'il est crucial d'inscrire le biomimétisme dans une stratégie durable. Janine Benyus, l'inventeur du biomimétisme, énonce dans son livre fondateur dix grands principes. Fabriquer une surface autonettoyante imitant le lotus, d'accord, mais sans recourir aux terres rares, qui sont des ressources finies. Autre principe, maintenir l'équilibre de la biosphère : le génie génétique peut être utile pour produire une molécule, mais il faut dans ce cas croiser des espèces compatibles entre elles, et non franchir la barrière d'espèces comme cela a été le cas par le passé. Enfin, dans la nature, il n'y a pas vraiment de rebuts, car les déchets d'un organisme sont les ressources d'un autre, si l'on considère un système entier comme une forêt : c'est pourquoi il est vital d'anticiper la fin de vie des produits. IT : Pouvez-nous citer un exemple de transfert industriel réussi grâce aux conseils de Greenloop ? Paradoxalement, la première société qui s'est adressée à nous n'est pas européenne mais japonaise. Celle-ci avait une demande précise : développer des membranes de filtration pour des canalisations, mais ignorait en même temps tout de la démarche biomimétique. Nous l'avons donc formée au sujet, et lui avons fourni des pistes pour répondre à son problème, en l'occurrence des exemples de végétaux ou d'animaux spécialistes de la désalinisation. Le projet n'a pas encore abouti. Dans le cadre d'un programme de recherche, européen cette fois, Greenloop a proposé une stratégie de stockage du CO2 inédite grâce aux bactéries : un prépilote industriel doit voir le jour début 2012.

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