Biomimétisme

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Dessin de Jean-Marie Le Bris. Ayant accompli un vol plané à partir d’une barque munie d’ailes mobiles, s'inspirant du vol des albatros observés dans le pacifique du sud

Aujourd'hui la connaissance est infinie et les matières premières sont elle limités.

Le biomimétisme est une science qui dit que la nature est une bibliothèque, lissez-là au lieu de la brûler. Il s'agit d'une révolution sociale et environnementale avant d'être une révolution technologique et s'inscrit dans un paradigme de l'économie de la connaissance.

C'est un nouveau processus dans le domaine de l'innovation et de l’ingénierie, qui s’inspire de la nature.

Origine

Quel que soit le problème, la nature a déjà trouvé la solution : elle possède sa propre source d'énergie (le soleil), elle ne possède aucun déchet en ne jetant rien et en recyclant tout, elle n'utilise que la quantité d'énergie dont elle a besoin, elle s'adapte en fonction de certaines contraintes...

Un des premiers à avoir compris et étudié ce concept est autre que Leonardo Da Vinci. Il observait l’anatomie et le vol des oiseaux, ayant donné naissance à ses machines volantes. Une vague d'ingénieurs c'est donc inspiré de la nature et notamment des oiseaux pour créer un nouveau mode de transport : l'avion.

Aujourd’hui l’américaine Janine Benyus s’impose comme la figure majeure du biomimétisme. Elle a fait renaître la discipline dans les années 1990. Cette biologiste, consultante et écrivain, a popularisé le terme de « biomimétisme ». Elle l’a aussi actualisé et conceptualisé à travers son ouvrage Biomimicry, innovation inspired by Nature où elle développe la théorie selon laquelle les êtres humains devraient répliquer le génie de la nature dans leurs conceptions, et ce de façon durable.

Nous connaissons donc l'étude du Biomimétisme dans différents domaines, tel que le transport, la robotique ou encore les nouvelles technologies.

Nouvelles Technologies

La nature est complètement high-tech, elle est plus performante que nous et nous devons l'étudier et la reproduire.

Des puces Intel dans l'océan

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Une diatomée, soit un phytoplancton, qui possède un squelette en silicium. La distance entre deux branches de son squelette est de 10 nanomètres.

Intel est à 22 nanomètres. Passez d'un semi-conducteur de 32 à 22 nanomètres, c'est un budget de 10 milliard, il faut aussi une usine avec salle blanche coûtant des centaine de millions de dollars. La diatomée fait mieux sans salle blanche, sans consommation énergétique et ayant une chaîne de production plus rentable, imprime mieux en bout de chaîne et possède un processus industriel meilleur. Dans une goutte d'eau de mer nous avons des puces Intel qui flottent et ses puces nous nargue en flottant devant nous depuis 3 milliard d'années. La nature est littéralement high-tech.

Une seiche comme télévision

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Une seiche est actuellement étudiée par Samsung. Car aujourd’hui c'est le meilleur écran que nous connaissons sur terre. Il s'agit d'un optical meta material. Il y a eu les écrans LED, AMOLED, Plasma, LCD et maintenant les optical meta material.

Ayant un taux de rafraîchissement supérieur aux écrans commerciaux, on peux le chiffonner, elle s'auto répare et consomme moins d'énergie.

L'internet de la forêt

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Un champignon (Physarum polycephalum) connectant plusieurs arbres entre eux, prends les déchets d'un arbres et les donnes à un autre sous forme de nutriment et se sert au passage, il possède donc un business model rentable. La nature possède donc déjà et bien avant nous son propre réseaux internet.

De plus, il est capable de calculer des réseaux de distribution plus efficacement que les meilleurs algorithmes. Il est ainsi étudié par des sociétés qui doivent trouver des solutions pour distribuer des biens ou des services le long d'une carte. Marc Fricker, chercheur à Oxford, a voulu tester l'intelligence de ce champignon. Il l'a déposé à Londres, et a aussi placé dans les grandes villes britanniques quelques flocons d'avoine dont le champignon se nourrit. Quarante-huit heures plus tard, grâce à ce champignon, Marc Fricker obtenait une carte optimisée du réseau ferré britannique, meilleure que la carte existante.


Robotique

L'étude du Biomimétisme dans le monde de la robotique ne cesse de s’accroître, aidant dans l'industrie ou dans le médical, la nature devient encore une fois une bibliothèque d'informations.

Bras-pieuvre

Le bras pieuvre

Un robot chirurgical qui se plie, s’étire et se faufile, comme le bras d’une pieuvre : tel est le prototype imaginé et présenté par des scientifiques. Ce robot est un bras robotisé, spécialement conçu pour la chirurgie mini-invasive (procédures chirurgicales conçues pour minimaliser la gêne des patients et le temps de rétablissement). Il est également capable de manipuler des organes mous sans les endommager. Ce robot peut s’avérer très efficace et pourrait révolutionner le domaine chirurgical.

Comme l’octopode, le robot peut faire varier la rigidité de son bras. D’outil rigide, il peut se transformer en outil flexible, un avantage certain par rapport aux instruments chirurgicaux traditionnels. Ce dispositif pourrait réduire le nombre d’instruments nécessaires pour une intervention du fait de sa polyvalence et donc le nombre d’incisions sur le corps d’un patient. Une opération chirurgicale nécessite souvent l’utilisation de plusieurs instruments tels que des pinces, des enrouleurs, des systèmes de vision et des dissecteurs. Ce robot est le premier pas vers la création d’un instrument unique capable d’effectuer toutes ces tâches tout en sécurisant les organes.

Le « bras-pieuvre » est composé de deux modules identiques connectés entre eux. Ils sont divisés en trois chambres cylindriques que l’on peut diriger séparément. La pieuvre n’a pas de squelette rigide et adapte la forme de son corps à son environnement. L’objectif est de permettre à la chirurgie d’accéder à des parties exiguës de l’abdomen ou d’autres parties du corps.

Des tests expérimentaux montrent que le bras du robot peut se plier jusqu’à un angle de 255 degrés et s’étirer jusqu’à 62 % de sa longueur initiale. Sa rigidité peut augmenter de 60 à 200 %. Des simulations d’opérations, avec des ballons remplis d’eau pour représenter les organes du corps humain, démontrent que le robot est capable de manipuler des organes tout en opérant.

Bras-serpent

Le Snake-Arm-Robot

La société OC Robotics, s'est inspirée du monde animal pour développer le «Snake-Arm-Robot», le robot serpent.

Un robot qui se déplace à la manière d'un serpent peut explorer n'importe quel recoin dissimulé. Il atteint sans difficultés les endroits auxquels les personnes n'accèdent qu'à grand peine en cas de problème à résoudre. Que ce soit lors du montage des avions, dans les installations nucléaires ou pour inspecter les canalisations, les moteurs assurent l'extrême précision des mouvements du robot serpent à vertèbres multiples.

Les tendons relient les muscles aux articulations, dans les membres humains; dans le robot serpent, des câbles d'acier jouent le rôle des tendons et relient les articulations entre elles. Chaque câble contenu dans le bras robotisé est raccordé à un moteur. Les mouvements reptiliens sont générés par les moteurs, qui transmettent la puissance mécanique dans le bras du serpent et à ses différentes articulations.

Ce phénomène de bras serpent robotisé à notamment attiré la curiosité de Elon Musk, créant un bras robot serpent pour Tesla. L'entreprise américaine spécialisée dans les moteurs électriques, a mis au point un tuyau magnétique capable de recharger ses véhicules. Plus besoin de brancher la prise, ce robot-serpent s'occupe de tout, même si vous oubliez de mettre le véhicule en charge. Relié à un générateur, le bras mécanique ondule pour se brancher au port de charge de l'automobile.

Bras-trompe

Le bras trompe Bionic Handling Assistant

Un vertébré bénéficie d'une prouesse mécanique sans équivalent : un bras sans os, flexible et préhensile. La trompe de l'éléphant, avec ses cent mille muscles, permet de saisir et de transporter des charges lourdes (près de 300 kilogrammes dit-on) sans aucune articulation.

Une société allemande, Festo, spécialiste de l'automatisme, s'en est inspirée pour réaliser un bras-robot d'un nouveau genre, baptisé Bionic Handling Assistant.

On peut facilement remarquer qu’un bras robotisé traditionnel ne peut arriver à telle maniabilité sans une multitude de servo-moteurs, et une mécanique impressionnante. Celui fonctionne avec 6 principaux organes de contrôles, 4 pour la flexibilité du bras, 1 pour la pince et un autre pour la rotation sur lui même. Composé d'une série de petits boudins gonflables assurent les mouvements, commandés par de l'air comprimé. Le bras peut s'allonger, se rétracter et se déformer. À l'extrémité, une main à trois doigts est articulée par un poignet lui aussi constitué de chambres à air comprimé.

Le résultat semble prometteur. Pour un poids de 1,8 kilogramme, ce bras de 0,75 mètre soulève 500 grammes. L'utilisation d'air comprimé pour obtenir un mouvement n'est cependant pas une nouveauté. L'inconvénient de ce principe est le manque de précision par rapport aux systèmes mécaniques classiques. Dans le bras de Festo, des capteurs permettent semble-t-il un bon contrôle du mouvement puisqu'on voit la main saisir une pomme et même un œuf.

Transports

Les premiers cas concrets de l'étude du biomimétisme sont ceux dans les transports que nous connaissons aujourd'hui. Grâce à la l'étude de la nature nous pouvons nous mouvoir via différents modes de transports dont le plus connu, le rêve de tout être humain, pouvoir voler tel un oiseau.

Aéronautique

Dessins de Clément Ader

• 1858-1861: Jean-Marie Le Bris affirme avoir accompli un vol plané à partir d’une barque munie d’ailes mobiles. Il se serait librement inspiré du vol des albatros observés dans le pacifique du sud:

• 1890: Clément Ader réalise le premier vol humain à bord d’un appareil motorisé plus lourd que l’air. Les formes de son engin imitent clairement la chauve-souris.

• 1903: Les frères Wright, pionniers du premier aéronef plus lourd que l'air, se sont inspirés des pigeons en vol. Ce biplan (avion pourvu de deux ailes portantes superposées) est équipé d’un système qui permet d’appliquer une torsion de sens opposé aux ailes pour générer le mouvement de roulis indispensable à la réalisation d’un virage équilibré sans dérapage. Cette technique reste certainement la première remarquable application raisonnée du monde animal au monde de l’aviation. En effet, Wilbur Wright observa très justement que les busards, lorsqu’il sont déstabilisés par un coup de vent, ont le moyen de rétablir leur équilibre latéral à l’aide d’une légère torsion de l’extrémité de leurs ailes.

Ferroviaire

Le bec du martin pêcheur inspire le Shinkansen

Au Japon, le TGV Shinkansen qui relie Osaka et Hakata passe par de nombreux tunnels. À chaque fois que le train passait sous un tunnel, l’air était soudain brutalement comprimé ce qui provoquait une perte de vitesse ainsi qu’un énorme surcroît de bruit.

Un ingénieur Japonais s’est alors demandé si dans la nature un animal avait été confronté au même problème auquel il avait trouvé une solution. Il a alors pensé au martin-pêcheur qui parvient à plonger pour attraper ses proies dans l’eau sans perdre de vitesse ni faire de remous. Il a donc comparé les deux phénomènes : quand un train passe dans un tunnel, il rencontre brusquement une forte résistance due à la pression de l’air, tout comme le martin-pêcheur confronté à une résistance supérieure lors de son plongeon quand il change de milieu (passage de l’air à l’eau). Il constate que cet oiseau au cours de son existence a trouvé la solution à ce problème. En effet pour attraper ses proies, celui ci les guette, perché au-dessus de la surface de l’eau, puis plonge en flèche avant de les saisir dans son bec. Son bec allongé amortit le choc du passage d’un élément à l’autre, de la faible résistance de l’air à celle plus importante de l’eau.

Les Japonais ont alors réalisé, grâce à des simulations sur ordinateur, une forme idéale pour que le Shinkansen puisse pénétrer sans heurt dans les tunnels : cette dernière correspond donc à la silhouette du martin-pêcheur. Ils ont ainsi imité la forme de son bec et de sa tête pour un résultat étonnant : avec une consommation électrique de -15%, le TGV a gagné 10% de vitesse.

Automobile

Mercedes Bionic Car inspirée par la forme du poisson-coffre

Depuis toujours, l’objectif principal des concepteurs automobiles est de rendre leurs modèles plus aérodynamique afin d’augmenter les performances du véhicule tout en réduisant sa consommation d’énergie et de carburant. Voilà pourquoi les ingénieurs chez Mercedes se sont inspirés de ce poisson pour créer une voiture aérodynamique : la « bionic car ». Pour ce faire, ils ont réalisé une maquette du poisson-coffre et l’ont placée dans une soufflerie, les ingénieurs ont obtenu un coefficient aérodynamique (c’est l’étude des phénomènes aérodynamiques induits par l’écoulement de l’air autour d’un véhicule en mouvement) de 0.06. Dans l’automobile, soit pour augmenter la vitesse de pointe ou pour diminuer la consommation, on cherche à avoir un coefficient aérodynamique le plus faible possible. Après avoir construit le véhicule, le coefficient aérodynamique atteint 0.19.

Les ingénieurs ont alors copié littéralement la structure osseuse et la forme du poisson-coffre : on observe que la résistance et la légèreté de la voiture sont devenues supérieures. La « Bionic car » consomme au final 20% de carburant en moins qu’une voiture de même gabarit.



--Ldumon (discussion) 17 avril 2019 à 14:20 (CEST)