Quand les animaux et les végétaux nous inspirent

Emmanuelle Pouydebat

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2019
• Imprimer l'ISBN: 9782738149244
• ISBN de l'eBook: 9782738149251
• Sujet: Sciences biologiques
• Sujet: Biologie

Un papillon bleu pour améliorer nos panneaux solaires ? Un martin-pêcheur pour optimiser le TGV japonais ? Des pommes de pin qui inspirent des architectes ? Du venin de mamba noir pour lutter contre la douleur ? Élucidera-t-on les secrets du sida et du cancer grâce aux koalas et aux requins ? Vivra-t-on bientôt plus longtemps grâce au rat-taupe nu ou aux méduses qui rajeunissent ? Le vivant s'adapte en permanence. Il possède des solutions infinies et extraordinaires. À nous de les découvrir avant qu'il ne soit trop tard. De les découvrir pour sauver la nature et pour nous sauver nous, les humains. Notre sauvegarde et la sienne, ensemble, sinon rien. La nature parle, écoutons-la ! Des libellules aux nouvelles éoliennes, des pattes d'écrevisses aux prothèses de main bioniques : la bio-inspiration, au cœur de la recherche scientifique, économique et… écologique ! Emmanuelle Pouydebat est directrice de recherche au CNRS et au Muséum national d'histoire naturelle. Spécialiste de l'évolution des comportements et travaillant avec de très nombreuses espèces, elle a reçu la médaille d'argent du CNRS et plusieurs autres prix scientifiques. Elle est l'auteur de L'Intelligence animale. Cervelle d'oiseaux et mémoire d'éléphants, qui a rencontré un très grand succès. 

CHAPITRE 1

Mieux se déplacer au sol
et dans l’air

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Les humains sont les seuls animaux actuels à se déplacer en bipédie permanente. Cette particularité leur confère d’ailleurs l’honneur d’être la seule espèce actuelle à être classée dans le genre Homo. La bipédie permanente : formidable, quelle spécificité incroyable qui fait la fierté de notre espèce ! Mais quel avantage cette locomotion procure-t-elle par rapport à d’autres ? Laisser nos mains libres pour manipuler ? Certes, mais il suffit de s’asseoir. Certains oiseaux nagent, marchent, décollent, atterrissent, amerrissent même. De notre côté, sans un apprentissage spécifique très technique nous nageons très mal, nous grimpons maladroitement aux arbres et nous ne savons même pas voler ! La bipédie, vous parlez d’une capacité ! De plus, courir nous est très coûteux sur le plan énergétique et nous sommes relativement peu puissants et peu endurants par rapport à d’autres espèces. Il suffit que j’observe le moindre petit bernard-l’ermite grimpant aisément, malgré sa lourde coquille parfois et ses cinq paires de pattes à coordonner, sur de fins substrats, emplis d’embûches qui plus est, pour comprendre à quel point notre mode de locomotion humain est finalement parfois limité. Sans compter ces geckos et autres araignées en tous genres qui se déplacent sur des vitres verticales ou même horizontales, pattes en l’air évidemment, et ces oiseaux ou insectes capables pour certains de voler sur des milliers de kilomètres.

Pour combler ces lacunes locomotrices et pour assouvir leur besoin de conquérir d’autres milieux, les humains du XX^e siècle ont inventé et conçu des moyens de transport d’une brillante ingéniosité. Ils se sont parfois aussi inspirés du vivant pour innover, comme les anciens l’ont fait avant eux. À ceci près que nous disposons aujourd’hui d’avancées technologiques majeures qui facilitent cette bio-inspiration. L’amélioration des moyens de transport est donc sans limite si l’on en juge par les performances du monde animal qui a résolu bon nombre de défis aériens et terrestres comme le vol stationnaire ou arrière et qui recèle de solutions aérodynamiques toutes plus ingénieuses les unes que les autres face aux modifications permanentes et rapides du milieu. Le monde animal a réussi là où bon nombre d’ingénieurs se creusent encore la tête, que ce soit pour voler, se déplacer rapidement sur terre, éviter des obstacles ou encore se camoufler ! Découvrez plutôt.

Voler

Des ailes des rapaces aux avions du futur

Dans leur rêve de vouloir voler, les humains se sont toujours inspirés des oiseaux. Le mot « avion » trouve sa racine dans le mot latin avis, oiseau. Il faut dire que certains oiseaux défient tous les records aériens. Records de vitesse et de changements de direction par exemple. Le mâle colibri (Calypte sp^.) est le vertébré le plus rapide par rapport à sa taille corporelle, 2 fois plus rapide que des avions de combat ! Il subit des accélérations centripètes presque 9 fois plus grandes que l’accélération gravitationnelle ! Cette accélération est la plus élevée connue de tous les vertébrés soumis à une manœuvre aérienne volontaire, à l’exception des pilotes de chasse ! À une telle vitesse, éviter les obstacles devient un exploit. Le colibri réalise par ailleurs des prouesses enviées par bon nombre d’ingénieurs en aéronautique : vol stationnaire, vol vers l’arrière ou sur le dos, piqués, changements rapides de vitesse de vol et d’orientation du corps, tour sur lui-même, le tout pour parfois atteindre des fleurs difficiles d’accès ! Incroyable vol multidirectionnel du plus petit oiseau du monde… Records de vitesse et de précision ensuite, avec les rapaces en particulier qui accomplissent d’autres prouesses. Par exemple, le faucon pèlerin (Falco peregrinus) vole à un maximum de 200 fois sa longueur par seconde. Certes, c’est 2 fois moins que le colibri, mais cela représente tout de même une vitesse de presque 400 km/h, le tout pour le plus souvent maîtriser parfaitement le ralentissement final et capturer une proie ! Les rapaces allient vitesse et précision et constituent donc un modèle particulièrement pertinent pour l’ingénierie aéronautique, et Léonard de Vinci avait d’ailleurs étudié leur vol dans le but de créer un avion à ailes oscillantes. Records d’évitement d’obstacles également, avec la chauve-souris. Mais c’est sans doute grâce à la maquette de chauve-souris de Léonard de Vinci que Clément Ader, trois cents ans plus tard, a pour la première fois fait décoller un avion. Car ce petit mammifère bénéficie d’une voilure variable et d’un sonar ultraperformant qui lui permettent de réaliser un vol de nuit, le tout en évitant les obstacles et en chassant les insectes ; un véritable rêve pour les pilotes, notamment les militaires !

Records de vitesse, de changements de direction, de précision, d’évitement d’obstacle ? Attention, voilà une espèce témoignant de records en termes de turbulences et de réduction du bruit ! En effet, des chercheurs français s’intéressent de près à l’architecture et aux capacités d’adaptation des ailes de l’aigle. Elles possèdent tout pour améliorer l’aérodynamisme, la furtivité et l’économie d’énergie des avions de demain. Une merveille d’ingénierie ! Elle répond en fait à deux problématiques majeures sur lesquelles travaillent les chercheurs : la capacité d’une aile à se déformer en temps réel et l’effet des petites plumes périphériques qui cassent les turbulences et réduisent le bruit1. Des solutions bio-inspirées remarquables ont ainsi été découvertes en observant des aigles au « Rocher des aigles » de Rocamadour et sur l’île du Ramier. En effet, grâce à ce système musculaire et nerveux sophistiqué et parfaitement adapté au milieu aérien, les aigles exploitent l’impact du vent sur leurs ailes, pour les déformer de façon optimale qui plus est. Ils font vibrer leurs ailerons et leurs plumes de différentes tailles pour accroître leur portance au moment de capturer la proie. En maîtrisant ces vibrations, ils brisent la formation des turbulences en réduisant ces tourbillons. La force de frottement et les vibrations sonores sont ainsi affaiblies et permettent à l’aigle de foncer sur sa proie sans qu’elle ait le temps ni l’ouïe de le repérer. De plus, ils cambrent leurs ailes vers le bas et augmentent de nouveau leur portance pour s’envoler rapidement après la capture. Autant d’adaptations qui donnent aux chercheurs des nouvelles pistes pour créer les ailes d’avion du futur ! Ils espèrent que, d’ici à 2020, les ailes seront flexibles et capables de se cambrer et de vibrer à différentes fréquences pour augmenter les performances aérodynamiques pendant le vol. Déformables et vibrantes, elles permettront de réduire la consommation de carburant et le bruit au décollage comme à l’atterrissage. Quand performance et écologie se rejoignent…

Quand les insectes volants inspirent des microdrones

Attention, après les records des oiseaux, voici les prouesses de certains insectes au vol à ailes battantes et autres vols stationnaires. Quand la déformation anatomique de la libellule (odonates) se met au service des capteurs de demain, le miniaturisme devient un enjeu majeur… En effet, les chercheurs du monde entier inventent leurs propres microdrones, des engins volants miniatures, de quelques centimètres tout au plus. Représentant la troisième génération de drones, un microdrone peut être utilisé dans le cadre de la recherche et de l’assistance aux victimes, de la surveillance par les autorités, de la détection d’agents chimiques ou biologiques, etc. Les enjeux s’articulent autour de la reconnaissance dans des espaces confinés, de la combinaison du vol de déplacement (de type avion) au vol d’observation (de type hélicoptères), du passage du vol extérieur au vol intérieur en maîtrisant les obstacles, etc. Les microdrones d’extérieur doivent encore améliorer leurs qualités aérodynamiques et leur rapidité pendant que les microdrones d’intérieur nécessitent davantage de stabilité, de maîtrise de l’immobilité et d’une détection plus performante des obstacles.

Pour atteindre ces objectifs d’innovation, les Américains s’inspirent des incroyables colibris (trochilidés), les Allemands, des mouettes (laridés) et les Français ? Les Français portent leur attention sur un insecte exceptionnel : la libellule ! En effet, fusée, avion, hélicoptères utilisent des techniques de vol variées et efficaces. Cependant, le vol à ailes battantes des oiseaux et des libellules est très longtemps resté un exploit technologique inimitable. Créer un aéronef à ailes battantes a ainsi représenté un défi et un rêve de bon nombre d’inventeurs. L’ornithoptère de Léonard de Vinci, machine ressemblant à des ailes d’oiseau activées par la force musculaire humaine, ne s’est malheureusement jamais envolé. S’inspirant du vol des insectes et tentant toute sa vie en vain de le reproduire, Étienne Œhmichen est mort ruiné et dans l’anonymat le plus total.

Des siècles de tentatives. Mais pas pour rien. Et l’enjeu est de taille car les autres types de microdrones ne sont pas satisfaisants. Les microdrones de type avion sont rapides mais ne peuvent accomplir de vol stationnaire. Ceux de type hélicoptère sont lents, bruyants et très coûteux sur le plan énergétique. À l’inverse, les microdrones à ailes battantes ont le potentiel d’être économiques et miniaturisables jusqu’à un centimètre, sont très performants, silencieux et capables de vols stationnaires. On trouve ainsi le drone-colibri américain qui préfigure l’ère des nanodrones, le SmartBird allemand ultraléger et disposant d’une manœuvrabilité exceptionnelle ou encore le minuscule DelFly néerlandais, libellule robot de 20 g évitant les obstacles, bénéficiant d’une vision 3D et qui pourrait trouver des applications innombrables dans le domaine du spectacle, du sport, des recherches de victimes ou encore de l’agriculture. Cependant, nous ne sommes pas encore capables de produire en grande quantité ce type de drone et d’en réduire la taille notamment à cause des contraintes liées à la batterie. Les défis à relever vont sans doute occuper les chercheurs pendant des décennies2 !

Et c’est l’objet du projet Remanta qui, sous l’égide du ministère de la Défense, tente de réaliser, depuis près de quinze ans, un robot libellule de 15 cm et de 20 g3 ! L’objectif original de ce projet réside dans la reproduction de la déformation vibratoire du thorax de la libellule, cette même déformation qui fait battre ses ailes à haute fréquence avec un ...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Dédicace
• Préface - par le professeur Gilles Boeuf
• Introduction - Ouvrir le livre de la nature
• Chapitre 1 - Mieux se déplacer au sol et dans l'air
• Chapitre 2 - Mieux fabriquer et construire
• Chapitre 3 - Mieux préserver l'environnement et optimiser les ressources
• Chapitre 4 - Mieux se soigner et vivre plus vieux en bonne santé
• Épilogue - S'inspirer de la nature en 5 leçons
• Conclusion - Message personnel : humilité, humilité et… humilité !
• Notes bibliographiques
• Index
• Crédits photographiques
• Remerciements
• Table
• Du même auteur chez Odile Jacob