Africa-Press – Burkina Faso. L’humain n’aurait jamais inventé les avions sans l’observation des oiseaux » , s’exclame Gilles Boeuf, ancien président du Muséum national d’histoire naturelle et président du Ceebios, le Centre d’études et d’expertises en biomimétisme. Dès le 19e siècle, le marin Jean-Marie Le Bris s’est inspiré du vol de l’albatros pour inventer un planeur à ailes mobiles, une « barque ailée » constituée de bois et de toile, tel un oiseau artificiel.
Quelques années plus tard, en 1890, l’ingénieur français Clément Ader imite l’aile de la chauve-souris pour faire décoller le premier engin motorisé plus lourd que l’air. Le secteur aéronautique est le précurseur d’une méthode d’innovation de plus en plus plébiscitée, le biomimétisme. Il s’agit d’observer les stratégies d’adaptation élaborées par les organismes vivants pour les transposer dans des inventions technologiques.
Cette approche a été théorisée en 1997 par la scientifique américaine Janine Benyus qui lui donne une dimension quasi philosophique : selon elle, le biomimétisme doit s’inscrire dans un objectif d’innovation responsable et durable, contribuant au bien-être de l’humanité. « Le vivant œuvre avec une grande parcimonie d’énergie, il utilise des éléments abondants dans la nature, recycle les déchets et fixe le carbone », remarque Gilles Boeuf. Le biomimétisme repose sur des échanges transdisciplinaires, nourris de la recherche fondamentale et des savoirs de l’ingénieur. Avec un point commun à l’ensemble des projets : l’innovation passe d’abord par une compréhension fine des fonctionnements du vivant.
Les recherches de Claude Grison, directrice du laboratoire CNRS de Chimie bio-inspirée et d’innovations écologiques et lauréate du prix de l’inventeur européen en 2022 pour ses travaux sur la dépollution par les plantes, incarnent pleinement cette approche biomimétique – même si elle préfère parler plus modestement de bio-inspiration car, selon elle, « nous sommes loin d’avoir compris toutes les fonctions de la nature pour pouvoir l’imiter » . Ses travaux explorent le vivant à l’échelle de la molécule. « Je cherche à comprendre le langage chimique de la nature » , commente la chercheuse. Elle a découvert l’existence de plantes terrestres, comme les Grevillea, pouvant survivre dans des terrains miniers pollués par de fortes concentrations en métaux.
Ces plantes transforment les oxydes de manganèse contenus dans ces sols puis les extraient par leurs racines, les rendent solubles dans la sève et les transportent jusqu’aux feuilles, où ils sont stockés. De tels mécanismes se retrouvent aussi chez certaines plantes aquatiques, comme la jussie d’eau, une espèce envahissante. « La nature utilise le manganèse, associé à du calcium, comme catalyseur de la réaction d’oxydation qui se produit lors de la photosynthèse, observe Claude Grison. Ces plantes contiennent aussi un couple manganèse-calcium. J’ai donc en main des catalyseurs d’origine naturelle, capables de remplacer les métaux utilisés pour cette fonction par l’industrie chimique et généralement issus de l’extraction minière. »
C’est également la photosynthèse qui a attiré la curiosité de Laurent Billon, professeur à l’Iprem, Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l’environnement et les matériaux (CNRS /Université de Pau et des pays de l’Adour, UPPA). « Alors que l’excès de CO2 est nocif pour l’environnement, le vivant, lui, l’utilise lors de la photosynthèse pour former des sucres simples qui s’associent par la suite en polysaccharides, explique-t-il . L’industrie des matériaux fait la même chose. Elle synthétise de petites molécules issues de ressources pétrolières puis les polymérise. Mon projet est de recréer ces cycles synthétiques. »
Les recherches de Laurent Billon visent à élaborer une feuille artificielle qui reproduit le mécanisme de la photosynthèse. En modulant la structure protéique située autour du catalyseur qui réduit le CO2 en sucre, on obtient des composés comme l’éthanol, le méthanol ou l’acide formique – uniquement à partir d’eau et d’énergie solaire. Ils pourraient servir dans l’industrie cosmétique ou pharmaceutique pour fabriquer des molécules plus complexes non issues de la pétrochimie.
Les feuilles inspirent d’autres champs de recherches biomimétiques. Exposées en permanence à la lumière pour réaliser la photosynthèse, elles ont développé leur propre système de protection vis-à-vis des rayons solaires et possèdent en surface des structures cristallisées à base de cires qui réfléchissent les ultraviolets. Pour l’Iprem et ses partenaires industriels, ces propriétés ouvrent la voie à de nouveaux filtres solaires issus de matériaux naturels. Les chercheurs extraient ainsi les constituants élémentaires des cires avant de reproduire leur organisation spécifique et leur capacité de réflexion. « Imiter le procédé d’auto-assemblage est l’étape la plus difficile, car les organismes vivants réalisent des opérations infaisables au laboratoire. La plante assemble hiérarchiquement ces cires hydrophobes en milieu aqueux. Nous savons seulement faire des reconstitutions dans des solvants organiques » , détaille Laurent Billon.
Du mucus des poissons à la crème solaire
Les biomatériaux protégeant des agressions du Soleil pourraient aussi, dans un avenir proche, être inspirés du monde marin. C’est l’approche choisie par Susana Fernandes, enseignante-chercheuse à l’UPPA. « Je me suis demandé comment des poissons transparents pouvaient rester si clairs tout en étant exposés tous les jours aux rayons solaires. Mes recherches m’ont conduite à la mycosporine, une molécule qui absorbe les UV, synthétisée par les algues rouges et que renferment le mucus et les yeux des poissons » , raconte la chercheuse.
Afin de pouvoir utiliser la molécule, ses équipes l’ont greffée sur des biopolymères, ce qui leur a permis d’en faire un gel. « J’ai voulu reproduire la forme naturelle de stockage des mycosporines, complète Susana Fernandes. Le mucus est un hydrogel ! » Les tests in vivo ont attesté de la non-toxicité pour les cellules humaines de ces molécules, qui sont étudiées dans deux domaines : la cosmétique – car elles constituent une alternative naturelle et biodégradable aux nanoparticules que contiennent la plupart des crèmes solaires – et la recherche médicale, en partenariat avec l’Inserm, afin de déterminer si l’absorption des UV par cette technique pourrait limiter le nombre de cancers cutanés.
Un volet important de la recherche biomimétique s’inspire des insectes et de leur système neuronal particulièrement sobre. La mouche, telle la drosophile, est un modèle en la matière. Bien qu’elle ne dispose que de quelques centaines de photorécepteurs et d’une vision de faible résolution, elle navigue de manière autonome en évitant les obstacles. « Voir flou est néfaste pour l’homme, mais l’insecte en tire un avantage, explique Stéphane Viollet, directeur de recherche CNRS à l’ISM, Institut des sciences du mouvement de l’Université Aix-Marseille. Cela lui permet d’éliminer un grand nombre d’informations superflues et de se concentrer sur l’essentiel. Nous nous inspirons de cette sobriété neuronale pour développer des capteurs optiques destinés à la robotique. Ils voient flou également, pour mieux capter l’information ! »
L’ISM a participé à la mise au point du premier œil composé fonctionnel, nommé Curvace (photo ci-dessous), qui reproduit celui de la mouche. Ses 630 yeux élémentaires captent les flux optiques émis par les objets en mouvement, ce qui leur permet de calculer les distances.
S’orienter à la lumière polarisée telle une fourmi
Les capacités de déplacement de la fourmi du désert Cataglyphis, qui possède peu de photorécepteurs, stimulent aussi les chercheurs. Une fois sa proie capturée, cette fourmi se déplace en effet en ligne droite pour rejoindre son nid alors que ses phéromones – molécules chimiques qu’elle émet et qui lui servent de traceur – sont détruites par la chaleur. Son œil possède une zone spécifique tournée vers le ciel, appelée « aire dorsale marginale », équipée de nanostructures qui filtrent la lumière polarisée que l’humain, lui, est incapable de percevoir.
« La fourmi du désert mesure les paramètres de distribution de la lumière polarisée et en déduit son cap, résume Stéphane Viollet. Nos caméras polarimétriques, équipées d’un capteur à seulement deux pixels et d’un filtre, reproduisent la manière dont l’insecte se repère. » Une étude réalisée en collaboration avec l’institut Matériaux, microélectronique, nanosciences de Provence, publiée en juillet 2023 dans la revue PNAS, décrit une nouvelle méthode de localisation par ces caméras bio-inspirées, baptisée Skypole. Grâce au traitement de la lumière polarisée, elle permet de localiser le pôle céleste et par conséquent la latitude et le cap par rapport au nord géographique. Ces méthodes de géolocalisation par observation du ciel pourraient compléter les GPS dans les zones où le signal ne passe pas ou est brouillé. La connaissance du vivant alimente ainsi la technologie. Mais la démarche ne s’arrête pas là.
« Nous souhaitons que nos travaux nourrissent en retour la recherche biologique, observe Stéphane Viollet. Les insectes qui parcourent des milliers de kilomètres n’auraient-ils pas la capacité neuronale de traiter l’information par des modèles mathématiques proches de la méthode Skypole ? » Cette question illustre l’approche transdisciplinaire revendiquée par le biomimétisme. « L’enjeu est de faire travailler ensemble, et au bon moment, différentes unités de savoir pour franchir toutes les étapes, note Tarik Chekchak, directeur du pôle Biomimétisme à l’Institut des futurs souhaitables, un lieu de réflexion et d’expérimentation destiné à repenser nos modèles de société. Cela demande d’avoir le juste degré d’abstraction pour s’éloigner suffisamment de son modèle. » Pour faire face à tous ces défis, les chercheurs qui se revendiquent du biomimétisme puisent leur énergie chez Léonard de Vinci qui, au 16e siècle, affirmait déjà : « Prenez vos leçons dans la nature, c’est là qu’est notre futur… » .
Un projet de territoire bio-inspiré
Et si l’arbre était un modèle de territoire, les troncs représentant les autoroutes, les branches dessinant les routes et les feuilles figurant nos habitats ? Selon cette analogie, les feuilles qui fabriquent par photosynthèse des protons H+ , précurseurs de l’hydrogène, sont autant de petites usines indépendantes, comme pourraient l’être nos maisons si elles produisaient leur propre énergie. Mieux encore, chaque maison pourrait partager l’énergie en excès avec ses voisines, comme le font les arbres qui communiquent entre eux par un vaste réseau de champignons souterrains. Cette allégorie n’a rien de farfelu : elle est à l’origine du projet Ensuite (bio-inspired Energy Sustainable and Independent Territories) porté par une vingtaine de chercheurs et lancé par l’UPPA en 2021. Son but est de repenser nos modèles de société en sous-tendant des applications technologiques par des réflexions économiques et sociétales.
Les chercheurs s’attellent ainsi à créer un dispositif de feuille artificielle capable de synthétiser de l’hydrogène de manière décarbonée et de le stocker dans une pile qui équiperait chaque maison. Ce projet futuriste vise à être opérationnel avant 2050… date à laquelle nous devrons avoir atteint la neutralité carbone.
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