Du biomimétisme à l’innovation technologique Janvier 2015 · PDF filecréant des tourbillons qui augmentent la résistance aérodynamique. observation de la cigogne par Ingo Rechenberg(1954)

Du biomimétisme

à

l’innovation technologique

Janvier 2015

Plan

• Définition

• Historique du biomimétisme

• Les premiers exemples de biomimétisme

• Quelques applications technologiques − surfaces superhydrophobes et autonettoyantes

− adhésion réversible

− auto-cicatrisation

− autres exemples

Plan

• Définition






− autres exemples

Définition du biomimétisme

• Du grec « bios » : la vie et « mimesis » : imitation− démarche d’innovation

− fait appel au transfert et à l’adaptation des principes et stratégies élaborés par

les organismes vivant et les écosystèmes

� produire des biens et des services de manière durable

� rendre les sociétés humaines compatibles avec la biosphère

• Aujourd’hui 15 millions d’espèces vivantes− 3,8 milliards d’années d’évolution

− chaque espèce a obtenu sa survie à long terme

� grâce à un processus d’adaptation naturelle par essais et erreurs

� application concrète des principes de la durabilité


• Méthode biomimétique − chercher réponses performantes déjà sélectionnées par organismes vivants

− permettre une réduction des coûts énergétiques, la faiblesse des émissions

et/ou la non-toxicité

− nécessite que les différents scientifiques (physiciens, chimistes, biologistes,

ingénieurs) travaillent ensemble (interdisciplinarité)

• Trois niveaux d’inspiration en terme de durabilité− les formes adoptées par les êtres vivants,

− les matériaux et les processus de « fabrication » opérant chez les êtres vivants,

− les interactions que les espèces développent entre elles et le fonctionnement

global des écosystèmes naturels


• Principes de la nature− La nature récompense la coopération.

− La nature fonctionne à l’énergie solaire.

− La nature utilise seulement l’énergie dont elle a besoin.

− La nature ne fait pas d’excès.

− La nature puise sa créativité dans les limites qui lui sont imposées.

− La nature recycle tout.

− La nature recherche l’expertise locale.

− La nature capitalise sur la diversité.

− La nature adapte la forme à la fonction.

Plan

• Définition






− autres exemples

Historique du biomimétisme

• Notion introduite et popularisée en 1997 par Janine Benyus− biologiste américaine

− 6 livres dont « Biomimicry: Innovation Inspired by Nature” (1997)

− co-fondatrice de la Biomimicry Guild (1998, entreprise de consulting)

� intérêt très fort pour le biomimétisme


• Notion introduite et popularisée en 1997 par Janine Benyus− co-création du Biomimicry Institute (2005)

� développer des programmes éducatifs pour tous,

� travailler à créer des politiques publiques utilisant le biomimétisme pour

trouver des solutions aux défis économiques et environnementaux,

� encourager les entreprises qui profitent de la biomimétique à apporter un

soutien financier à la biodiversité.

− lancement de la base de donnée « asknature » (2007)

� première bibliothèque numérique au monde de solutions technologiques

inspirées de la nature


• Notion introduite et popularisée en 1997 par Janine Benyus− lancement de Biomimicry 3.8 (2010)

� leader mondial du conseil en innovation dans le domaine du biomimétisme,

de la formation professionnelle, de l'éducation et du développement de

programmes d'études

� « 3,8 milliards d'années d'inspiration et de R & D »


• En Europe− Biomimicry Europa

� association à but non lucratif née en 2006 à Bruxelles

� se consacre à la promotion du biomimétisme

� comité Français de Biomimicry Europa créé en 2010 à Paris

� trois actions

� sensibilisation du public

� expertise et R&D (campus du biomimétisme à Senlis, contribution à

un rapport d’étude du CGDD, travaux de normalisation, projets de

recherche)

� Actions sur le terrain (« arbres sauveteurs »)

Plan

• Définition






− autres exemples

Les premiers exemples du biomimétisme

• Le 1er vrai chercheur biomimétique : Léonard de Vinci (1452 – 1519) − « Va prendre tes leçons dans la nature, c'est là qu'est notre futur »


• Autres précurseurs − Hezafen Ahmed Celebi (1609-1649)

� a étudié le vol des oiseaux et a développé un appareillage de vol avec

lequel il a réussi à décoller

− Otto Lilienthal (1848 - 1896)

� a étudié le vol des cigognes et a créé les premiers appareillages de vol

réussis pour les vols de glissement


• Aérodynamisme des avions− difficulté dans le vol des avions : le courant aérien se rompt à la fin des ailes,

créant des tourbillons qui augmentent la résistance aérodynamique.

� observation de la cigogne par Ingo Rechenberg (1954)

� particularité de l'éventail que forment ses plumes au bout de l'aile

� plus le courant est fort, plus l'extrémité des ailes s'écarte, et se courbe

� fait diminuer la résistance aérodynamique

winglets aux extrémités des ailes de leur avion


• Le Velcro− inventé par le suisse Georges Mestral en 1948

� observation des graines de bardane (chardon alpin) qui s’accrochent au

velours par des crochets, et que l’on peut décrocher

� Avec l’aide d’un fabricant de textile de Lyon, il met au point une pièce de

nylon à petites boucles et une autre à petits crochets

� velours – crochet Velcro (US 2717437, 1955)

Plan

• Définition



• Quelques applications technologiques

− surfaces superhydrophobes et autonettoyantes



− autres exemples

Plan

EFFET LOTUS

SUPERHYDROPHOBICITE

ANTI-ADHERENCE

Surfaces superhydrophobes et anti-adhérentes

• Effet Lotus − l’eau glisse sur la feuille sans la mouiller

− elle entraine les impuretés présentes en surface

θ∗ ~ 160°


• Effet Lotus

Lotus


• Effet Lotus

Lotus


• Effet Lotus

Lotus


• Effet Lotus− rugosité à l’échelle du nanomètre (effet physique)

− surface recouverte ou constituée de cire (effet chimique)

� le design favorise l’emprisonnement d’air

� mouillage nul et angle de contact voisin de 180°

‒ 200 plantes superhydrophobes et des animaux (canard, gerris…)


• Effet Lotus− travaux laboratoire

� revêtements sol-gel (couches minces),

� traitements laser, micro-grenaillage, attaque à l’acide, photolithographie,

plasma (nanotubes de C)…

Techniques de nanotexturation


• Effet Lotus

Exemple de produit commercial : Ultra-ever Dry (Ultratech)

− facile à appliquer

� par pistolet à air comprimé,

� par pulvérisateur à pompe

� par spray manuel.

− translucide, 2 couches nécessaires (1L couvre

4m², tps de séchages restreints)

� plusieurs exemples d’utilisations industrielles

en extérieur dont chantiers

� dégradés par les solvants (peintures en phase

solvant par exemple)

� durée de vie du traitement?

− testé actuellement par Nissan (avril 2014)

Plan

ADHESION

REVERSIBLE

Adhésion réversible

• Biomimétisme du déplacement du Gecko − structure fine de fibrilles hiérarchisées,

− adhésion basée sur les forces de Van der

Waals et forces capillaires

− caractéristiques théoriques� anisotropie*

� coefficient d’adhésion élevé

� force de détachement faible

� force d’adhésion indépendante du matériau du

support

� autonettoyant

� anti-auto-adhérent


• Facteurs clés − nombre de fibres par unité de surface (le plus possible)

− forme des fibres (colonnes, champignons…)

− taille (diamètre, hauteur …)

− orientation …


• Procédé général de fabrication (lithographie)− master (analogie avec moule du tampon)

� wafer (plaque) en silicium + résine photorésistante (SU-8)

� mis en forme par photolithographie, faisceau d’électron, or micro-usinage

− moule (analogie avec le tampon encreur)� en polyimide, silicone, PMMA ou PU (durcis par chaleur ou UV)

− film en polymères (analogie avec le support imprimé)� en polyimide, PVS, PDMS, PMMA, PU, PS, silicon rubber, PP, PE…

� dimensions limitées par l’impact économique de la taille du moule (30cm de

diamètre pour moule ronds)

• Procédé coûteux

• Plusieurs variantes


• Filaments en forme de colonnes− les débuts de l’adhésion réversible avec le Gecko tape* (2003)

− gravure sèche au plasma� bombardement de gaz ionisé (plasma) afin de retirer une partie du

matériau en surface

− films contenant des fibres de forme « colonne » en polyimide (a),

− force d’adhésion de 3N/cm²,

− défaut de regroupement des fibres en tas (b).


• Croissance de nanotubes de carbone (NTC)− travaux de l’équipe du Pr Dhinojwala (Univ. d’Akron, 2009)

� dépôt en phase vapeur catalytique

� NTC regroupés en faisceaux de 500 à 700 microns de hauteur

� force d’adhésion très élevée (45 N/cm² au max)

� problème d’arrachement des NTC lors du détachement


• Filaments en forme de champignon − travaux de Sameoto et Menon (Canada)*

− procédé de fabrication modulable et « économique »

qui serait adaptable à du roll-to-roll d’après les auteurs� master (1)

� acrylate PMMA Optix® + masque en résine

photosensible Su-8

� substrats SU-8 / acrylate exposés à 254 nm

� moule (2) négatif en silicone rubber (TC 5045)

� films en polyurethane (3)

� force d’adhésion de 27 N/cm² max.

(1)

(2)

(3)


• Double photolithographie− structures hiérarchisée

� travaux Artz / Del Campo / Gorb*


• Photolithographie laser (1/2)− Equipe du Pr Röhrig (Karlsruhe, Ge) avec

Nanoscribe GmbH*� résine acrylique photorésistante et dense de

formulation spécifique (IP-G 780)

� Ecriture directe dans le matériau

� polymérisation de la matière par l’énergie du

faisceau laser

� élimination de la matière non polymérisée par un

bain de développement PGMEA**

� longueur, diamètre, nombre de niveaux de

hiérarchie, espacement, forme de la pointe sont

variables.


• Photolithographie laser (2/2)− Equipe du Pr Röhrig (Karlsruhe, Ge) avec Nanoscribe GmbH


• Filaments en forme de spatules − travaux équipe de Sitti* (Pennsylvanie)

− gravure ionique réactive avec effet de micromasquage (DRIE)

− fibres en polyurethane ( ∅ min 4.5 µ à 9 µ pour H = 20 µ) avec force

d’adhésion de 18 N/cm²


• Micro-usinage− robots pour surfaces verticales*

� filaments orientés en polyuréthane

� moule en Delrin en 3 parties**


• Un produit commercial : le Gecko Nanoplast (1/2)− produit par Goettlib Binder GmbH

� fibres champignons

� film de 0,34 mm d’épaisseur, 29 000 ventouses/cm²,

� adhésion sur surfaces lisses uniquement,

� facilement nettoyable ou stérilisable

� largeur max de 10 cm (limite liée à la machine de fabrication)

� prix au mètre linéaire élevé

Adhesion réversible

• Un produit commercial : le Gecko Nanoplast (2/2)− applications potentielles

� pick and place (Capsugel, Nanoforcegripper* de Festo…)

� anti-dérapant (chaussons véliplanchistes, gants pour maintenir des

objets revêtus d’huile…)

� médical (pansements anti-brulure…)

� fermeture des paquets de tabac** (trop cher)

� fixation de capteurs…

Plan

MATERIAUX

AUTOCICATRISANTS

Matériaux autocicatrisants

• Les matériaux les plus anciens− mortier des constructions romaines

� plus de 2000 ans d’existence

� mélange de cendres volcaniques et de chaux

� chaux dissoute par les pluies et se déplace vers fissures


• Des matériaux omniprésents− inox

� contient 12% de chrome

� fissure => chrome réagit avec O2 et forme de l’oxyde de chrome

� isole la surface et prévient la corrosion

− asphalte� viscosité du bitume permet de combler les micro-fissures au repos (nuit…)


• Imitation du monde du vivant− régénération des os, des tissus

− « réparation » autonome

• Influence sur les performances− balance entre propriétés mécaniques et capacité de régénération


• Explosion du nombre de publications sur le sujet− dans tous les domaines


• 3 étapes− activation

− transport

− réparation


• Activation


• 3 approches biomimétiques− encapsulation

− modèle vasculaire

− modèle intrinsèque


• Encapsulation‒ ne fonctionne qu’une seule fois


• Encapsulation : Projet Safe@sea− collaboration entre SINTEF (labo) et Helly Hansen− vêtement de marin auto cicatrisant

� polyuréthane et microcapsule de produit cicatrisant

� déchirure provoque libération du cicatrisant

� l’air et l’eau active la cicatrisation


• Produits commerciaux basés sur l’encapsulation‒ Autonomic Materials− résine vinyle pour application sur uréthane et silicone

− encapsulation de deux composés

� résine vinyle

� catalyseur

− collaboration avec l’institut Beckman (Illinois)


• Modèle vasculaire : procédé appliqué− reproduire le système vasculaire humain

− cicatrisation théoriquement infinie

− application principalement aux composites


• Modèle vasculaire : travaux universitaires− Université Illinois (Nancy Sottos and al.)

� impression de nanocanaux dans le matériau

� remplissage à la seringue

� futures applications aérospatiales


• Modèle intrinsèque : 3 possibilités de cicatrisation


• Modèle intrinsèque exploite propriétés physiques à l’échelle

moléculaire− petits polymères

− liaisons réversibles entre chaque molécules

− phénomène théoriquement infini


• Travaux laboratoires sur le modèle intrinsèque− chimie supramoléculaire (Dr Stuart Rowan)

� mise au point de petits polymères

� assemblage par liaison hydrogène réversibles

� couplage avec éléments métallique (transformation et apport d’énergie)

� réparation activée par les UV

� en cours d’amélioration (baisse de la température d’activation)


• Travaux universitaires sur le modèle intrinsèque− peau artificielle (Pr Zhenan Bao)

� polymère plastique avec liaisons hydrogènes réversibles

� conductivité équivalente à un métal

� comportement analogue à la peau humaine


• Travaux universitaires sur le modèle intrinsèque− laboratoire du Pr Marek Urban (Université de l’Illinois)

� « le plastique qui saigne »

� film constitué d’un mélange de polymères

� réarrangement de chaines polymères lors d’une fissure

� chaines de polyuréthane qui s’auto-cicatrisent grâce aux UV


• Produits commerciaux basés sur le modèle intrinsèque− polyurethanes auto-réparants Bayer (video)

� liaisons hydrogènes réversibles

� cicatrisation favorisée par la chaleur

� gamme de produit pour voiture et protection du bois


• Produits commerciaux basés sur le modèle intrinsèque− SupraPolix (Pays Bas, vidéo)

− Reverlink® d’Arkema

� liaisons hydrogènes réversibles

* (http://www.suprapolix.com/) . Video


• Produits commerciaux basés sur le modèle intrinsèque− Scratch Shield (Nissan)

� réarrangement des chaines de polymères

� peinture pour voiture

http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/scratch.html


• Produits commerciaux basés sur le modèle intrinsèque‒ Tuftop® de Toray advanced film

� application : film de protection pour petits appareils

http://www.toray.com/products/films/fil_015.html


• Efficacité variable− fonction de la taille des dommages et de l’approche employée

Plan

AUTRES EXEMPLES

Autres exemples du biomimétisme

• Du bec du martin-pêcheur au train japonais‒ bec aérodynamique

� permet de pénétrer dans l’eau en gardant un maximum de vitesse et en

faisant un minimum de remous

� application au Shinkansen pour faciliter l’entrée dans les tunnels japonais

(régions montagneuses)

� 10% plus rapide, économie d’électricité de 15%, et nuisance sonore

moindre

Autres exemples du biomimétisme

• De la peau de requin à la combinaison de plongée‒ la thèse qui voudrait qu'une surface soit le plus lisse possible, pour être la plus

aérodynamique possible n'est pas forcément vraie

� « l'effet riblet »

� l'eau s'engouffre dans les micro-rainures de l'animal, ce qui engendre

des remous qui permettent à l'animal de diminuer sa résistance à l'eau

� écoulement optimisé car ralenti et restructuré (thèse discutée

toutefois)

Documents

Du biomimétisme à l’innovation technologique Janvier 2015 · PDF filecréant des tourbillons qui augmentent la résistance aérodynamique. observation de la cigogne par Ingo Rechenberg(1954)