24 mars 2014

Biomimétisme ou la nature pour modèle

Plein de ressources, notre environnement a souvent une longueur d’avance sur l’homme. Qui aurait tort de ne pas s’en inspirer. C’est tout l’art du biomimétisme, une science en plein essor.

Julien Lecœur, doctorant à l’EPFL, conçoit des robots qui imitent les comportements des animaux.
Julien Lecœur, doctorant à l’EPFL, conçoit des robots qui imitent les comportements des animaux.

Depuis quatre milliards d’années, l’évolution n’en finit pas de chercher des solutions pour n’en retenir que les meilleures. Ainsi fait le biomimétisme, domaine émergent de la science qui tend à imiter le génie naturel pour concilier progrès technique et respect de l’environnement. «En fait, c’est très vieux, le biomimétisme, puisque Léonard de Vinci s’inspirait déjà des oiseaux pour construire ses machines volantes. Mais sans doute est-ce encore plus à la mode aujourd’hui, avec le grand retour à la nature», sourit Julien Lecœur, 25 ans, doctorant à l’EPFL.

Dans le laboratoire de robotique LIS (Laboratoire de systèmes intelligents), où il travaille, on phosphore dur en s’inspirant de la nature. En témoignent toutes les inventions accrochées au plafond, méduses vertes, étoiles habitées de sphères, des genres de parachutes munis de pieds ou encore étranges scarabées aux ailes d’alu, bardés d’armature et de pattes métalliques… Julien Lecœur:

On fait de la robotique bioinspirée. On ne cherche pas à concevoir des robots qui ressemblent morphologiquement à des insectes, mais qui s’inspirent de leurs compétences.

Des robots sont imaginés pour faciliter le travail de l’homme, notamment dans des situations de catastrophe naturelle.
Des robots sont imaginés pour faciliter le travail de l’homme..
Des robots sont imaginés pour faciliter le travail de l’homme.
Des robots sont imaginés pour faciliter le travail de l’homme.

Ainsi les minuscules mouches, qui vous énervent au-dessus de la corbeille à fruits, sont ici l’objet de toutes les attentions. Parce que ces petits organismes, à la fois très légers et très réactifs, arrivent à faire des choses compliquées avec des moyens très simples et sont plus faciles à étudier que les oiseaux. «L’insecte réagit très vite, à la façon d’une machine, alors que l’oiseau a peut-être des intentions, ce qui le rend plus complexe.»

D’un œil de mouche à la cartographie aérienne

Le principal atout des drosophiles? Son œil qui, même s’il a une résolution très basse (mille pixels contre un million pour la pupille humaine), a un très large champ de vision, soit trois cents images par seconde contre vingt-cinq pour l’œil de l’homme. Un flux optique qui lui permet d’éviter très facilement les obstacles et les gifles.

C’est précisément cette aptitude visuelle que les chercheurs ont tenté de reproduire. Notamment avec un robot, semblable à un hélicoptère miniature monté sur pattes. Muni de cinq capteurs optiques et de quatre hélices, il parvient à voler en stationnaire en se stabilisant grâce à ses caméras, même dans des environnements très complexes, exactement comme les insectes dans la nature. Une application pratique a d’ailleurs vu le jour avec l’aile volante eBee, commercialisée par la société SenseFly, capable de faire de la cartographie aérienne. Avec un poids total de 400 grammes pour une vitesse de 12 m/s, cette aile volante est capable de balayer un périmètre, tout en évitant les obstacles, de faire des photos à intervalles réguliers et de revenir automatiquement à son point de départ.

Démonstration de l'aile volante eBee. (Source: Youtube/senseFly)

De son côté, Julien Lecœur travaille sur l’observation des bourdons, «dont le vol lourd et doux est plus facile à étudier». En collaboration avec le laboratoire de biologie de Lund en Suède, il fait voler ses 150 bombus terrestris dans un environnement fermé, mais dont les parois colorées sont aussi proches que possible d’un milieu naturel. C’est là qu’il les entraîne à voler de leur ruche à une source de nourriture, après avoir disposé sur le parcours des obstacles en 3D qui simulent une forêt. «J’enregistre leur trajectoire avec des caméras à haute vitesse sous différents angles. Ensuite, je fais des simulations sur ordinateur pour savoir ce qu’ils ont perçu et avoir une idée de ce qu’ils ont vu, sans avoir besoin de leur ouvrir la tête», explique Julien Lecœur, fasciné par le fonctionnement du cerveau depuis tout petit.

Finalité de l’étude et peut-être un jour application pratique: essayer d’élaborer un robot qui aura la même façon de réagir qu’un bourdon dans un environnement donné. «La forme du robot m’importe assez peu. Je ne cherche pas à avoir des ailes battantes. Ça ressemblera plus à un nez d’avion qu’à un insecte, mais il aura le même comportement que l’animal», dit-il en montrant un prototype en sagex.

Un engin programmé pour rebondir sur les obstacles

Toujours inspiré par le vol des insectes, un autre engin a vu le jour. Mais contrairement aux autres recherches, le projet GimBall s’inspire plus précisément de la capacité de la mouche à rebondir sur les parois. En effet, celle-ci n’évite pas à tout prix les collisions, mais fonce vers la lumière en rebondissant sur les vitres. «Dans cet esprit, Adrien Briod a conçu un robot qui n’évite pas les obstacles, mais qui utilise les impacts pour connaître la géométrie d’une pièce», explique le doctorant. Une sphère avec une partie intérieure désolidarisée de l’extérieur, une double hélice et des flaps en dessous, l’engin vole et rebondit contre les murs sans tomber, sans se casser ni perdre son équilibre.

Julien Lecœur, doctorant à l’EPFL.
Julien Lecœur, doctorant à l’EPFL.

Totalement inutile? Au contraire. Le GimBall, en cours de commercialisation, pourrait être d’une grande aide dans les situations de catastrophe. «Ce type de robot, qui n’a pas besoin de modéliser son environnement, pourrait être utilisé pour la recherche de victimes dans des lieux instables, comme des bâtiments effondrés. Muni d’une caméra, il permettrait aux sauveteurs d’avoir une vision des lieux auxquels ils ne peuvent pas accéder», explique Julien Lecœur.

Du poulpe à la chauve-souris

Le vol en essaim est aussi une source d’inspiration, du moins pour deux doctorantes du LIS. Qui mettent justement au point des robots munis de micro-antennes wi-fi, lesquels seraient non seulement capables de voler, mais de s’auto-organiser et d’interagir avec des chiens au sol.

En cas de catastrophe naturelle, s’il n’y avait plus aucun réseau, ce genre d’appareils pourrait permettre aux secouristes de communiquer entre eux. Idem avec les chiens, qui seraient guidés par les robots, là où les hommes ne peuvent pas aller.

Le laboratoire fourmille d’autres extensions mécaniques intelligentes. Comme ce projet de robotique molle inspiré du poulpe, un robot sans structure propre mais qui pourrait changer de forme à volonté. Ou cet engin calqué sur les compétences de la chauve-souris, un des rares mammifères capables de voler et de marcher en s’aidant de ses bras-ailes. Une sorte d’avion dont les actuateurs pivotent et deviennent pieds pour avancer sur le sol… De quoi, pour une fois, nous faire rêver du futur!

Exemples

Le bec effilé du TGV

La forme allongée du nez des TGV japonais est inspirée du martin-pêcheur. (Photo: istockphoto)
La forme allongée du nez des TGV japonais est inspirée du martin-pêcheur. (Photo: istockphoto)
Le TGV au nez d'oiseau. (Photo: Getty Images)
Le TGV au nez d'oiseau. (Photo: Getty Images)

C’est en observant un martin-pêcheur que l’ingénieur ferroviaire Eiji Nakatsu a résolu le problème du TGV japonais (Shinkansen), qui ne pouvait allier grande vitesse (350 km/h) et entrée dans les tunnels sans provoquer une onde de choc très bruyante.

En effet, l’oiseau au bec effilé parvient à pénétrer dans l’eau sans perdre de vitesse ni faire de remous. L’ingénieur a donc modifié la forme du nez du train en suivant les courbes profilées de la tête et du bec de l’oiseau plongeur. Une astuce qui a permis de réduire la pression de l’air, permettant au TGV d’entrer sans nuisance dans les tunnels et même d’obtenir une réduction de 15% de la consommation électrique.

Piqûre de moustique

Des seringues basées sur la forme de la trompe des moustiques.
Des seringues basées sur la forme de la trompe des moustiques. (Photo: istockphoto)
Une seringue plus douce. (Photo: istockphoto)

Comment se fait-il que les moustiques nous piquent de façon indolore, alors que les seringues sont rarement agréables?

Pour rendre les piqûres plus douces, deux sociétés japonaises ont cherché à imiter la trompe de l’insecte, conique et non cylindrique. La taille des aiguilles médicales a également été réduite. Les seringues Nanopass 33 sont désormais vendues à plusieurs millions d’exemplaires dans le monde.

Scratch de bardane

S’accrochant bien au vêtement, les fleurs de grande barbane sont à l’origine du velcro.
S’accrochant bien au vêtement, les fleurs de grande barbane sont à l’origine du velcro. (Photo: Blickwinkel)
Le velcro (Photo: Caro Fotoagentur)
Le velcro (Photo: Caro Fotoagentur)

C’est en se promenant que Georges de Mestral, ingénieur suisse, a découvert le velcro naturel. En revenant d’une balade, ses vêtements étaient couverts de petites boules difficiles à enlever: les fleurs de grande bardane.

En y regardant de plus près, il découvrit alors les nombreux petits crochets qui terminent ses bractées. Ce qui lui donna l’idée de faire adhérer deux matériaux de façon simple et réversible. Le velcro était né (contraction de deux mots, velours-crochet, les deux surfaces nécessaires pour faire une bande auto-agrippante).

© Migros Magazine – Patricia Brambilla

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Dimitros Terzis