1 février 2018

Quand la science s'inspire des meilleures idées de la nature

À l’EPFL, une plate-forme dédiée au biomimétisme regroupe une trentaine de laboratoires observant de près notre environnement pour développer des technologies de pointe.

Dimitros Terzis
Les travaux de Dimitros Terzis et de son équipe ont démontré que la croissance de cristaux stimulée par des bactéries peut remplacer le ciment traditionnel.
Temps de lecture 7 minutes

En termes de résolution de problèmes, la nature a plus de quatre milliards d’années d’avance sur nous. Les mécanismes en œuvre aujourd’hui ont survécu à des siècles d’évolution. Nous aurions tort de ne pas nous inspirer de ce vaste champ d’expérimentation: après tout, nous évoluons dans le même environnement!» Biologiste de formation, Darja Dubravcic coordonne depuis 2015 une plate-forme de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) regroupant plus d’une trentaine de laboratoires et une soixantaine de projets dédiés au biomimétisme, cette science qui prend la nature pour modèle. «Nous préférons parler de ‹bio-inspiration›: nous ne cherchons pas à tout reproduire à l’identique. Nous nous contentons parfois d’adapter les principes naturels à l’humain.»

Des skis inspirés des tortues

Un exemple? Véronique Michaud, professeure au laboratoire de mise en œuvre des composites à haute performance, a récemment conçu des skis en observant… la carapace des tortues! Souple pour permettre au reptile de respirer, cette dernière se rigidifie en cas de choc: une combinaison idéale pour les amateurs de pentes enneigées qui peuvent désormais aborder leurs virages à la fois en finesse et en toute sécurité.

Les oiseaux et les insectes, quant à eux, continuent d’inspirer chaque jour les concepteurs de drones: «Là encore, il s’agit d’un savant mélange de flexibilité et de rigidité, explique Darja Dubravcic. La structure des ailes doit pouvoir s’adapter à l’environnement afin d’obtenir le meilleur rendement énergétique possible. Les chercheurs étudient également la façon dont les oiseaux et les insectes, par leur vision, évitent les obstacles.»

Et de préciser que les évolutions technologiques des cinquante dernières années permettent enfin d’observer de plus près les micro- mécanismes qui régissent le monde vivant. «Des scientifiques se sont notamment intéressés aux nano- structures des pattes du gecko, grâce auxquelles il parvient à grimper et à s’accrocher aux murs. L’idée serait de développer une technologie similaire qui remplacerait la colle. Ford et Proctor & Gamble travaillent actuellement sur un projet de voiture assemblée de cette manière…» L’apparition des imprimantes 3D a également permis de belles avancées:

Nous sommes aujourd’hui capables de répliquer de manière organique, c’est-à-dire comme procède la nature, des formes, des structures et donc des fonctionnements très complexes.

Ajoutons que les animaux ne sont pas les seuls à servir de modèles aux chercheurs et que le biomimétisme s’applique à une foule de domaines technologiques et scientifiques. «L’un de nos laboratoires s’emploie par exemple à recréer le phénomène de la photosynthèse de manière artificielle pour produire du carburant solaire. Un autre s’inspire de la faculté de la nature à recycler ses déchets en utilisant le CO2 dans la fabrication de produits à valeur ajoutée (lire ci-dessous). La notion de ‹bio-inspiration› est assez souple.»

La «bio-inspiration», un sujet de recherche planétaire

Cette «bio-inspiration» a le vent en poupe depuis quelque temps, les plus grandes universités américaines et européennes ayant mis sur pied des structures similaires à celle de l’EPFL. «Les recherches dans ce domaine ont augmenté de manière exponentielle ces dernières années, confirme Darja Dubravcic. Un essor qui s’explique non seulement par des avancées technologiques mais également par une prise de conscience. Depuis les débuts du développement industriel, nous avons avancé par tâtonnements, sans prendre garde aux conséquences. Si nous voulons continuer à évoluer sur la planète, nous n’avons d’autre choix que de travailler de concert avec elle.»

La nature a su créer des mécanismes durables: à nous de tenter de les comprendre et de nous en inspirer.

Du gaz à l’objet: revaloriser le CO2

Le doctorant Felix Bobbink et le professeur Paul Dyson travaillent entre autres sur la transformation du CO2 en bioplastique.

Fléau des temps modernes, le CO2? Certes, ses émissions excessives sont bel et bien responsables des changements climatiques qui frappent actuellement notre planète. Mais si, à l’image de la nature qui a la particularité de recycler tous ses déchets, nous transformions en ressource ce gaz par ailleurs non toxique, abondant et peu cher? C’est ce à quoi s’attellent dans leur laboratoire de chimie de l’EPFL le doctorant Felix Bobbink et le professeur Paul Dyson, en développant des moyens d’utiliser le CO2 pour fabriquer des produits à valeur ajoutée tels que du bioplastique.

L’équipement utilisé pour permettre la recherche.

De quelle manière? «Il s’agit de combiner le CO2 à d’autres molécules, explique Felix Bobbink. Pour cela, nous avons besoin d’un catalyseur, d’un outil – chimique, en l’occurrence – permettant de fixer ensemble deux molécules. Nous nous sommes inspirés de la nature: plutôt que d’avoir recours à des catalyseurs métalliques très coûteux et potentiellement toxiques, nous avons observé comment la vitamine B1, faisant elle-même office de catalyseur, utilise le CO2 dans notre propre corps pour métaboliser le sucre. Nous avons ensuite adapté les procédés étudiés, notamment pour attacher le CO2 à d’autres molécules, dans le but de fabriquer, entre autres, des produits pharmaceutiques.»

Une démarche qui se veut donc aussi écologique et durable que possible qui pourrait s’appliquer à d’autres domaines. Et une bonne manière de prélever une partie du trop-plein de CO2 qui encombre notre atmosphère, en le cueillant par exemple à la sortie des incinérateurs à déchets.

Éviter le gaspillage: Des feuilles de lotus aux emballages autonettoyants

Yves Leterrier pose devant la machine d’impression UV qu’une vitre rouge protège de la lumière naturelle.

«La nature est un laboratoire exceptionnel que nous devons à tout prix ­arrêter de détruire! Pour s’en inspirer, il suffit de l’observer avec des yeux ­d’enfant: en s’émerveillant et en se posant des questions.» C’est en suivant son propre précepte qu’Yves Leterrier, maître d’enseignement et de recherche en sciences des matériaux à l’EPFL, a eu l’idée de prendre pour modèle les feuilles des lotus afin de créer des emballages autonettoyants. «Dans la culture asiatique, le lotus est un symbole sacré. Sa fleur n’est jamais souillée, car sa surface est très hydrophobe: la moindre goutte de pluie y roule en emportant les éventuelles salissures.»

Sensible à la problématique des déchets plastiques et du gaspillage alimentaire, le scientifique a décidé de développer des contenants s’inspirant de la structure des lotus et d’autres fleurs aux mêmes propriétés comme les roses jaunes. «À l’heure actuelle, 30%  de la nourriture produite chaque année dans le monde n’est pas consommée! En partie parce qu’il en reste toujours un peu au fond de l’emballage quand on le jette.»

Une réplique synthétique d’un pétale de rose jaune.

D’où cette envie de créer des tubes et des bouteilles le long desquels le contenu glisseraient comme l’eau sur les feuilles de lotus. «Nous essayons de fabriquer des surfaces synthétiques qui imitent ces feuilles sans produire de déchets et en utilisant le moins d’énergie possible. Il s’agit d’un procédé de réplication à l’échelle microscopique, où nous imprimons les détails de la feuille dans une résine qui est exposée à la lumière UV pour la solidifier. Nous avons également engagé un partenariat avec l’École cantonale d’art de Lausanne (ECAL) pour créer des contenants au design plus attractif à l’œil du consommateur. Nos emballages sont en cours de mise au point: pour l’heure, l’eau y glisse sans difficulté et les nettoie efficacement, mais les substances plus grasses posent encore problème. Il faut dire que les processus de recherche académique sont très lents…»

À noter qu’Yves Leterrier travaille également sur des cellules photovoltaïques s’inspirant des yeux antireflets de certains papillons de nuit: «Cela nous permettrait d’en optimiser l’efficacité énergétique.»

Ingénierie civile: des bactéries dans le ciment

Dimitros Terzis essaie de produire du biociment non-polluant.

Produire du biociment non polluant, tel est le défi – de taille! – que s’est lancé l’équipe du docteur Dimitrios Terzis, scientifique au laboratoire de mécanique des sols à l’EPFL, dirigé par le professeur Lyesse Laloui. Le point de départ? Une bactérie qui, injectée dans le sol, permet de densifier ce dernier en formant des liaisons cristallines très fines. «C’est ce même procédé qui explique la présence de formations calcaires, les stromatolites, sur certaines plages en Australie, explique l’ingénieur. Nous avons cherché à comprendre comment ces dernières s’étaient créées et nous avons développé notre technologie sur cette base. Nous donnons simplement un coup de pouce à la nature en isolant les bactéries du site sur lequel nous travaillons, en les multipliant et en les réinjectant dans le sol.»

Cette technologie qui s’appuie sur des micro-organismes a été appliquée avec succès sur des sols provenant de quatre pays.

Une technique particulière intéressante pour tout projet de stabilisation de zones sujettes à des tremblements de terre ou à des glissements de terrain. «L’avantage, en comparaison avec la cimentation par injection traditionnelle, c’est que nous n’avons pas besoin de travailler à haute pression, ni de détruire la structure naturelle du sol. Par ailleurs, notre biociment se forme à température ambiante. Nous consommons donc moins d’énergie et le procédé utilisé dégage moins de CO2

Le projet, baptisé Medusoil, vient de remporter en novembre la seconde place du Climate-KIC Launchpad, la plus grande compétition au monde d’idée d’entreprises durables (lire le communiqué de presse). La technologie a été brevetée au sein de l’EPFL et pourrait également s’appliquer, à terme, à la construction de remblais routiers et à l’imperméabilisation de tunnels. «À présent, nous établissons des partenariats industriels pour pouvoir passer ultérieurement à l’application à grande échelle et nous continuons à développer notre gamme d’outils.»

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