Africa-Press – Tchad. Une hécatombe. Depuis l’apparition du vivant, la Terre a traversé cinq grandes crises qui ont emporté entre 70 et 90 % des espèces à chaque épisode. Ces catastrophes ont remodelé la biosphère, éradiqué des formes de vie plus jamais revues et rebattu les cartes de l’évolution. Un chiffre résume cette cruelle trajectoire: l’ensemble des espèces actuelles ne représente que 0,1 % des formes de vie ayant existé ! Autrement dit, l’immense majorité des solutions biologiques inventées par l’évolution a disparu. Ce gigantesque catalogue d’expériences naturelles, dont certaines pourraient encore éclairer nos propres défis, commence aujourd’hui à être étudié dans une approche de bio-inspiration.
Depuis plusieurs décennies déjà, la bio-inspiration s’appuie sur l’observation du vivant pour concevoir des matériaux, des structures ou des solutions techniques. C’est sur cette idée que repose la paléobio-inspiration. « Le registre fossile élargit notre champ d’observation. Il nous permet d’étudier des solutions mécaniques qui n’existent plus mais qui ont fonctionné pendant des millions d’années. Certaines sont même plus efficaces que ce que l’on conçoit aujourd’hui « , souligne Alexandra Houssaye, paléontologue spécialisée en morphologie fonctionnelle et directrice de recherche CNRS au Muséum national d’histoire naturelle à Paris, institution qui a organisé le premier symposium international sur la paléobio-inspiration en 2023, et qui poursuit cet élan à travers le programme Bioinspire.
Il en va ainsi, par exemple, du glyptodon. Cet herbivore sud-américain, disparu il y a un peu plus de 10.000 ans, pouvait dépasser la tonne et portait une carapace faite de milliers d’ostéodermes soudés entre eux, formant une coque rigide, épaisse et remarquablement structurée. Des chercheurs ont analysé la géométrie de ses ostéodermes puis ont reconstitué, grâce à l’impression 3D, sa carapace pour la tester. Résultat: cet animal possédait une protection qui offrait un compromis optimal entre résistance et absorption d’énergie. De quoi inspirer de futures protections balistiques?
Il faudra sans doute plusieurs années d’optimisation avant de voir un gilet pare-balles dérivé du glyptodon, un casque inspiré du pachycéphalosaure (un dinosaure qui possédait un dôme osseux de 25 cm d’épaisseur au sommet de son crâne), des drones volants animés par des ailes imitant celles des ptérosaures ou encore des robots sous-marins équipés de palettes natatoires similaires à celles des reptiles marins qui vivaient il y a plus de 65 millions d’années. En effet, les solutions forgées par l’évolution ne sont jamais des réponses parfaites à un problème unique. Elles sont presque toujours le produit d’un compromis. Une structure osseuse, une carapace, une coquille ou une fleur ne sont pas optimisées pour une seule fonction, mais pour faire face à plusieurs contraintes simultanées, parfois contradictoires.
Comme le résume Alexandra Houssaye, « la première étape, c’est toujours de vérifier si la relation forme-fonction est aussi bonne qu’on le suppose. Est-ce que c’est vraiment cette structure-là qui est intéressante? Quelle partie exactement? Et pourquoi, comment? Un organisme est optimisé pour une pléthore de choses en même temps, alors qu’en ingénierie, on cherche souvent une fonction précise. Il faut donc découper ces relations, choisir et extraire celle que l’on veut vraiment exploiter. »
Pénétrer virtuellement dans l’os et obtenir l’architecture interne
L’exploration du passé à la recherche de solutions pour l’avenir serait restée largement théorique il y a encore vingt ans. Elle est devenue opérationnelle grâce à une série d’outils qui ont profondément transformé l’étude des fossiles. La microtomographie aux rayons X permet aujourd’hui de pénétrer virtuellement l’intérieur d’un os ou d’une coquille sans y toucher. Les chercheurs n’observent plus seulement des formes externes, mais des architectures internes, des réseaux de travées, des gradients de densité. À ces images s’ajoutent des modèles numériques par éléments finis, capables de simuler contraintes, flexions et zones de rupture potentielles.
Néanmoins, des travaux préliminaires montrent des résultats soulignant le fort potentiel de la paléobio-inspiration. « C’est encourageant parce que cela montre qu’on n’a pas besoin de reproduire toute la complexité biologique pour capter les règles mécaniques essentielles « , souligne Alexandra Houssaye. La scientifique travaille notamment sur l’architecture interne des os porteurs chez les grands mammifères actuels et fossiles, ainsi que chez les dinosaures, en particulier les sauropodes. Ces animaux ont supporté des masses considérables (plus de 100 tonnes pour les plus gros dinosaures) grâce à une distribution optimisée de la matière, concentrée là où les contraintes mécaniques étaient les plus fortes. En génie civil, ces principes nourrissent aujourd’hui des réflexions sur des bétons allégés, économes en matériau et en énergie, avec à la clé une réduction directe de l’empreinte carbone des structures.
Les nouvelles technologies ouvrent le champ bien au-delà du squelette des vertébrés. Les ammonites, ces mollusques qui ont occupé les océans pendant près de 335 millions d’années, sont devenues des objets d’expérimentation physique. En reconstruisant leurs coquilles, en les testant sous forme de robots nageurs, les chercheurs explorent les compromis entre stabilité, traînée et maniabilité. Comme le fait remarquer David Peterman, spécialiste de la biomécanique des céphalopodes fossiles, « ces animaux sont en quelque sorte des sous-marins à propulsion par jet, avec une coque rigide et très peu de surface de contrôle « . Ses travaux montrent que « les coquilles aplaties glissent mieux, sont plus stables mais tournent difficilement, alors que les formes plus sphériques sont très maniables mais peinent à maintenir leur trajectoire « .
Pour lui, l’intérêt dépasse largement la paléontologie: « Beaucoup de ces contraintes physiques sont exactement celles que rencontrent les ingénieurs lorsqu’ils conçoivent des robots sous-marins. » Les plantes fossiles offrent également un autre terrain d’exploration. Les architectures végétales des lycophytes géantes du carbonifère, les premières plantes ou les fougères arborescentes primitives ont résolu, chacune à leur manière, des problèmes fondamentaux de stabilité et de solidité de la tige et de transport de l’eau.
Thomas Speck, spécialiste de biomécanique végétale et directeur du jardin botanique de Fribourg, en Allemagne, y voit un réservoir d’idées encore largement sous-exploité: « Les plantes fossiles montrent des solutions très différentes pour combiner stabilité mécanique et conduction de l’eau avec les mêmes cellules. » En étudiant celles qui ont résisté aux crises biologiques, on apprend aussi que « la surspécialisation à un environnement donné est extrêmement dangereuse lorsque celui-ci change « . En revanche, l’optimisation des ressources, c’est-à-dire le développement d’une solution suffisante impliquant un minimum d’investissement matériel et énergétique, représente un avantage sélectif considérable. « Combiner ces deux approches, à savoir l’absence de surspécialisation et l’optimisation des ressources, peut contribuer à relever les défis posés par le changement climatique « , souligne le chercheur.
De multiples façons de voler chez les ptérosaures
Les ptérosaures n’ont pas seulement été les premiers vertébrés à voler. Ils ont aussi exploré une gamme de solutions aéromécaniques que l’on ne retrouve chez aucun animal actuel. Leurs ailes consistaient en une membrane souple tendue sur un unique long doigt, renforcée par des fibres internes. Cette architecture conférait aux ailes une grande capacité de déformation, tout en permettant un repli complet pour la marche au sol. Chez les ptérosaures géants, ces membres antérieurs jouaient probablement un rôle clé dans le décollage, en fournissant l’essentiel de la puissance au sol avant l’envol.
Un brevet de pale d’éolienne s’inspirant directement de principes mis en évidence chez les ptérosaures revendique ainsi une amélioration de rendement de l’ordre de 14 %. D’autres travaux ont transposé la morphologie des ptérosaures à des concepts d’aéronefs solides, capables de fonctionner dans les hautes couches de l’atmosphère terrestre, ou dans des environnements plus extrêmes comme ceux de Mars ou de Vénus. La Nasa travaille aussi sur un concept de véhicule martien à ailes repliables, conçu pour se lancer depuis le sol à la manière d’un ptérosaure.
Extraire des principes généraux du vivant
Mais pour que ces pistes débouchent sur des solutions concrètes, encore faut-il que la paléobio-inspiration quitte les laboratoires et trouve sa place dans les chaînes de production industrielle. C’est précisément l’un des rôles du Ceebios, le Centre d’études et d’expertise en biomimétisme, à Senlis (Oise), qui se veut un point de rencontre entre biologistes, ingénieurs, designers, architectes et industriels pour accompagner les projets d’innovation. L’enjeu est de transformer une observation issue du vivant en principe réellement exploitable. « Notre travail consiste à partir d’un problème technique, à identifier la fonction d’intérêt, puis à explorer le vivant pour en extraire des principes généraux qui seront utilisés pour concevoir de nouveaux matériaux, produits et services « , explique Luce-Marie Petit, cheffe de projet études industrielles.
Avec pour mission d' »innover de l’échelle des matériaux, du bâtiment jusqu’au site industriel, pour réduire la consommation d’énergie et l’impact carbone, et concevoir des solutions multifonctionnelles. » Dans cette logique, la paléobio-inspiration apparaît comme un prolongement naturel du biomimétisme classique. « Plonger dans le passé pour inspirer l’avenir « , résume-t-elle, en rappelant que certaines espèces fossiles ont maintenu des architectures stables pendant des durées bien supérieures à celles de nos systèmes techniques actuels. Et qu’en s’inspirant de ce passé prolixe, l’humanité pourrait trouver des solutions aux problématiques engendrées par le changement climatique et les bouleversements écologiques en cours.
Trilobites: des yeux fossiles inspirent la caméra du futur
Les trilobites, des arthropodes qui vivaient au paléozoïque, avaient déjà résolu un problème optique complexe: voir net à plusieurs distances en même temps. Chez certaines espèces, comme Dalmanitina socialis, les yeux composés associaient deux systèmes de lentilles distincts, capables de focaliser simultanément des objets proches et lointains. Une architecture fondée sur des lentilles de calcite, rigides et précisément orientées, qui offrait une profondeur de champ importante sans mécanisme d’accommodation.
En s’inspirant directement de cette organisation bifocale, des chercheurs de l’université de Nanjing, en Chine, ont conçu une caméra nanophotonique capable de couvrir une plage de distances extrêmement large sans sacrifier la résolution. Les images obtenues sont ensuite traitées avec des réseaux de neurones pour corriger les aberrations optiques. L’équipe revendique ainsi une profondeur de champ allant de quelques centimètres à plus d’un kilomètre.
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