Bionique: La nature comme modèle

La bionique, soit l'étude de processus biologiques et leur transfert dans le domaine technique, est devenue une méthode d'innovation établie. Du hibou au fenouil, les ingénieurs de Siemens tirent également profit des immenses propriétés de la nature.

La nature est imaginative et a souvent élaboré des solutions surprenantes au cours de l’évolution, avec des phases de tests se déroulant sur des milliards d’années. Il est donc logique que l'homme prenne la nature comme modèle et essaye de s’en inspirer. La bionique est née de ce processus d’observation et de mise en pratique, avec la détection systématique de solutions, puis le transfert des phénomènes naturels vers la technique.
 

Si l’approche scientifique est moderne, son principe ne date pas vraiment d’hier. L’exemple de Léonard de Vinci tentant de reproduire le battement d’aile des oiseaux sur des machines volantes est ainsi célèbre. Et ce dernier peut sans doute être considéré comme le père de la bionique.
 

Aujourd’hui, cette «nouvelle science» bénéficie d’une renommée croissante auprès des scientifiques, ingénieurs, architectes, philosophes et designers. Récemment, on a ainsi appris qu’une aile de papillon avait inspiré des chercheurs pour améliorer l'absorption des cellules photovoltaïques de 200 %. Ou encore que le fruit Pomelo, doté d’un excellent pouvoir d'amortissement, avait permis le développement de nouveaux casques de protection pour les cyclistes. Mais d’autres exemples plus anciens de découvertes en bionique sont déjà bien présents dans notre quotidien.

Une découverte au poil

Une trouvaille particulièrement utile et très répandue est la fermeture Velcro. L’ingénieur suisse Georges de Mestral faisait souvent des promenades dans la nature avec ses chiens. Il avait ainsi observé que de petites boules adhéraient régulièrement au pelage des canidés. En examinant ces végétaux (fruits de la grande bardane) sous son microscope, il observa que ceux-ci étaient dotés de minuscules crochets élastiques qui ne se rompaient pas après les avoir retirés violemment des vêtements, des cheveux ou du pelage des animaux. En examinant la structure de ce végétal, Georges de Mestral a ainsi eu l’idée d’un dispositif réversible permettant un assemblage et désassemblage facile et rapide entre deux matériaux. Il a ensuite développé la bande textile Velcro et a déposé une demande de brevet en 1951 pour cette idée géniale. Aujourd'hui, les bandes Velcro sont régulièrement utilisées sur des chaussures, des vêtements, des sacs à dos ou encore des scaphandres d'astronautes.
 

Les Winglets situés en bout d’aile des avions sont un autre exemple bien connu. Il s’agit le plus souvent d’une prolongation des extrémités des ailes porteuses pointant vers le haut. Ces Winglets procurent une réduction de la résistance à l'air, améliorent la portance et réduisent la consommation de kérosène. Ici aussi, la nature a été prise comme modèle, car les ailes des aigles, vautours, cigognes ou milans s'élargissent aux extrémités vers le haut. Les multiples petits tourbillonnements ainsi créés se neutralisent partiellement les uns les autres et réduisent la résistance à l’air.

Des éoliennes plus silencieuses grâce aux hiboux

Nos ingénieurs observent également la nature pour le développement et l’amélioration des produits Siemens. Ils ont ainsi pris le hibou comme modèle pour réduire le bruit des éoliennes. Les hiboux peuvent en effet s’approcher de leur proie en toute discrétion, grâce à leurs ailes dotées d’une structure bien particulière. L'arête arrière en forme de peigne ainsi que la structure douce sur la surface de l'aile permettent en effet de réduire le bruit en vol grâce aux tourbillonnements d’air créés. En s’inspirant de cette caractéristique, les ingénieurs de Siemens ont pu optimiser l'aérodynamisme des pales des rotors. En plus des générateurs de turbulence disposés au revers des pales, des éléments en forme de peigne sont désormais installés sur les arêtes arrières, à leurs extrémités. Leur structure mi-peigne et mi-dentelée permet de produire de fins tourbillonnements d'air à l’emplacement précis où les courants supérieurs plus rapides de la pale du rotor rencontrent les courants inférieurs plus lents. Le bruit aérodynamique habituel est ainsi considérablement atténué.

Du fenouil pour les turbines à gaz

Récemment, des ingénieurs de Siemens ont aussi développé un bec de brûleur pour turbines à gaz dont la construction ressemble fortement à un tubercule de fenouil. Le fenouil étant très sensible à la chaleur, la plante dispose d'un grand nombre de corps creux permettant de l’évacuer de manière optimale. Les ingénieurs ont numérisé ce principe pour effectuer des simulations qui ont permis de réaliser une buse optimisée. La structure microscopique de la construction étant trop complexe pour les méthodes de fabrication traditionnelles par enlèvement de matière, les chercheurs ont alors décidé de fabriquer la tuyère par agglomération de matière, au moyen d’une imprimante 3D.
 

Même si ce nouveau bec de brûleur n'a pas été fabriqué en série, il représente un bon exemple des immenses possibilités offertes par la bionique. Grâce aux nouvelles techniques de production associant logiciel génératif et impression 3D, il s’agit même d’une révolution qui pourrait transformer radicalement certaines branches industrielles telles que la construction automobile, l’aéronautique ou l’astronautique. «Chez Siemens, nous désirons également profiter de ces nouvelles possibilités via notre logiciel Product Lifecycle Management, car les composants ainsi développés sont généralement plus performants, meilleur marché et nécessiteront une maintenance réduite», explique Christoph Kiener de Siemens Corporate Technology, toujours à la recherche de nouvelles possibilités de design pour les technologies Siemens.

L'évolution, toujours plus rapide

De nouveaux logiciels élargissent encore le registre de la bionique. Bien que le processus de création numérique ne se limite pas à imiter la nature, plus les durées de calcul des algorithmes augmentent, plus les designs deviennent organiques. Ceci n'est pas étonnant, car tout ce qui s’est révélé efficace dans l’évolution de la nature se révèle aussi exploitable dans les processus de tests numériques. En outre, les composants techniques deviennent généralement très performants lorsqu’ils utilisent peu de matière et d'énergie, comme la nature qui s’efforce de tirer le maximum de ressources limitées. De cette manière, le logiciel permet de simuler et perfectionner le comportement dynamique d'un composant, sa transmission calorique, sa robustesse, sa capacité de charge et bien d’autres caractéristiques, sans qu'un ingénieur ne doive même empoigner un tournevis pour effectuer les essais. Une fois la solution calculée, la fabrication additive permet de réaliser rapidement des designs très complexes, en économisant de la matière et à meilleur coût.

Plusieurs matériaux dans le même composant

Et le développement se poursuit. Dans le bureau voisin de Christoph Kiener, l’expert en bionique Tobias Kamps travaille sur des processus d'impression 3D permettant d’intégrer plusieurs matériaux dans la même pièce. La bionique est également utilisée pour cela. «Un bras se compose d'os, de chair, de veines et de peau, explique Tobias Kamps. Avec la fabrication additive, nous pourrons également produire des composants utilisant plusieurs matériaux dans la même pièce.» Là où il sera soumis à une forte source de chaleur, un composant optimisé grâce aux algorithmes utilisera un alliage spécifique plus onéreux car résistant aux températures élevées, tandis que les autres parties moins sollicitées du composant pourront être produites avec des métaux conventionnels meilleur marché.

11.01.2019

Fabienne Schumacher

Sources d'images: Siemens / Pixabay