20 animaux qui ont résolu des problèmes sur lesquels les humains travaillent encore

Le biomimétisme — la pratique consistant à étudier les systèmes biologiques pour résoudre des problèmes d'ingénierie et de conception humaine — est l'un des domaines à la croissance la plus rapide dans la science appliquée, et son principe de base est à la fois humble et pratique : l'évolution, opérant sur des centaines de millions d'années et des trillions d'organismes, a résolu la plupart des problèmes d'ingénierie que rencontrent les concepteurs humains, et les solutions sont disponibles pour étude dans n'importe quelle forêt, océan ou savane sur Terre. Le défi n'est pas de trouver les solutions. Il s'agit de les reconnaître.

Le système de fixation Velcro est issu d'une étude des bardanes en 1941. Le nez réducteur de bruit du train à grande vitesse a été redessiné après qu'un ingénieur ornithologue a remarqué que les martins-pêcheurs pénètrent dans l'eau depuis l'air sans produire d'éclaboussures — car la géométrie de leur bec gère la transition entre les milieux de densités différentes sans onde de choc. Les systèmes de refroidissement passif des bâtiments zimbabwéens ont été conçus en étudiant les termitières, qui maintiennent une température interne constante de 31°C dans un environnement qui oscille de 3°C la nuit à 42°C le jour sans aucun système actif de contrôle de la température.

Ce qui relie les 20 cas de cette liste n'est pas seulement que les animaux ont des capacités biologiques que les humains n'ont pas encore reproduites — bien que ce soit vrai pour tous. C'est que ces capacités répondent à des problèmes humains spécifiques, actifs et bien financés : traitement du cancer, ingénierie structurelle, résistance aux antibiotiques, collecte d'eau dans les déserts, navigation sans GPS, science des matériaux, compression des données et vol économe en énergie. Dans chaque cas, la solution de l'animal a été étudiée par des scientifiques et ingénieurs et a soit directement inspiré une application technologique soit est activement étudiée comme base pour une.

Chaque entrée couvre l'animal, le problème spécifique qu'il a résolu, le mécanisme biologique de la solution, et l'état de l'effort humain pour le comprendre ou le reproduire. Les entrées ne sont pas spéculatives. Toutes les solutions biologiques décrites ici sont documentées dans des recherches évaluées par des pairs, et les applications humaines décrites sont soit commercialement déployées soit en développement actif.

Ltshears / Wikimedia Commons

Le rat-taupe nu (Heterocephalus glaber) est le seul mammifère connu qui n'a jamais été observé développant un cancer dans des populations de recherche contrôlées sur des décennies d'étude. Dans une espèce dont les membres vivent couramment jusqu'à 30 ans — environ dix fois la durée de vie d'une souris de taille comparable — et dont les cellules se divisent continuellement tout au long d'une longue vie, l'absence de cancer est extraordinaire. La plupart des mammifères accumulent du cancer à des taux qui augmentent avec l'âge et la taille du corps; le rat-taupe nu semble avoir résolu le problème de la réplication cellulaire défectueuse.

Le mécanisme a été partiellement identifié : les cellules de rat-taupe nu produisent une version de haut poids moléculaire inhabituellement élevée de l'hyaluronane — une molécule de sucre qui entoure les cellules — qui déclenche une inhibition de contact précoce (les cellules cessent de se diviser lorsqu'elles se touchent) à une densité cellulaire inférieure à celle des autres mammifères. Cette inhibition de contact précoce empêche la prolifération cellulaire incontrôlée qui caractérise le cancer. Une étude de 2013 dans Nature a confirmé ce mécanisme et a découvert que l'ingénierie des cellules de souris pour produire la version de l'hyaluronane du rat-taupe nu réduisait significativement leur taux de transformation cancéreuse.

Des chercheurs de l'Université de Rochester, où une grande partie des travaux sur la résistance au cancer du rat-taupe nu a été menée, étudient si l'activation pharmaceutique de mécanismes similaires d'inhibition de contact précoce dans les cellules humaines pourrait produire des effets protecteurs contre le cancer. La solution du rat-taupe nu existe depuis des millions d'années ; l'effort humain pour la comprendre et l'appliquer a environ 15 ans.

Barry Peters / Wikimedia Commons (CC BY 2.00)

La crevette-mante (Stomatopoda) possède le système visuel le plus complexe de tous les animaux connus : 16 types de photorécepteurs contre trois chez les humains, avec la capacité de détecter la lumière polarisée, la lumière ultraviolette et la lumière infrarouge, et avec un système de traitement visuel qui identifie les couleurs et les états de polarisation de manière périphérique plutôt que de nécessiter un traitement cérébral central. La capacité spécifique que les ingénieurs humains essaient le plus activement de reproduire est sa détection de la lumière polarisée.

Les yeux de la crevette-mante peuvent détecter la lumière polarisée circulairement — une lumière qui tourne en hélice — que les instruments optiques humains ne peuvent détecter qu'avec un équipement complexe et coûteux. De nombreux animaux marins utilisent la lumière polarisée circulairement pour la communication et le camouflage, et la capacité de la crevette-mante à la voir avec une structure biologique qui tient dans un œil a suscité un intérêt significatif en ingénierie.

Des chercheurs de l'Université du Queensland et d'ailleurs ont développé des capteurs de lumière polarisée compacts inspirés par la structure de l'œil de la crevette-mante qui sont sensiblement plus petits et plus sensibles que les optiques de polarisation conventionnelles. Les applications incluent l'amélioration de la détection du cancer (les cellules cancéreuses réfléchissent la lumière polarisée différemment des cellules saines), l'amélioration de la navigation sous-marine et les systèmes de télécommunications qui utilisent la lumière polarisée pour augmenter la capacité de transmission de données. La structure de l'œil de la crevette-mante est en développement depuis des centaines de millions d'années ; les applications d'ingénierie qu'elle inspire commencent à être déployées commercialement.

Francesco Ungaro / Pexels

Les baleines à bosse (Megaptera novaeangliae) ont de grandes tubérosités irrégulières — des bosses arrondies — le long des bords d'attaque de leurs nageoires pectorales. Pendant la majeure partie de l'histoire de la dynamique des fluides, les irrégularités des bords d'attaque sur les surfaces des ailes ou des pales étaient comprises comme augmentant la traînée et réduisant la portance. Le tubercule de la baleine à bosse semble faire le contraire : des recherches publiées dans Physics of Fluids en 2004 ont découvert que le motif des tubercules réduit la traînée et augmente la portance, particulièrement à des angles d'attaque élevés où les formes d'ailes conventionnelles décrochent.

Le mécanisme : les tubercules créent des canaux d'eau s'écoulant plus rapidement entre eux qui energisent la couche limite — la fine couche de fluide à mouvement lent qui adhère à une surface et dont la séparation de cette surface provoque le décrochage. En maintenant l'attachement de la couche limite à des angles d'attaque plus élevés, le motif des tubercules retarde le décrochage et permet à la baleine de manœuvrer dans des cercles plus serrés que sa taille et la forme de ses nageoires ne le permettraient autrement.

WhalePower Corporation a licencié la technologie des tubercules et a produit des pales d'éoliennes, des pales de ventilateurs et des pales de turbines hydroélectriques incorporant le motif des tubercules, toutes montrant des améliorations d'efficacité mesurables par rapport aux équivalents à bord lisse. Le motif des tubercules a également été appliqué aux ailes d'avion, aux hélices et aux navires marins, avec des constatations constantes de réduction de la traînée et d'amélioration des performances à des angles d'attaque élevés. La nageoire de la baleine à bosse est en service depuis environ 30 millions d'années.

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La capacité du gecko à marcher sur des surfaces verticales en verre et à se suspendre aux plafonds est produite par des millions de structures microscopiques en forme de cheveux (setae) sur ses coussinets de doigts, chacune d'elles se ramifiant en centaines de pointes encore plus petites en forme de spatule (spatules) qui entrent en contact intime avec toute surface et adhèrent par des forces de van der Waals — les faibles forces attractives intermoléculaires qui sont individuellement négligeables mais collectivement suffisantes pour supporter le poids du gecko des milliers de fois.

Le mécanisme d'adhésion de van der Waals dépend de la direction (il s'active sous une force de cisaillement et se libère sous traction), s'auto-nettoie (les contaminants ne s'accumulent pas car les spatules se réattachent préférentiellement à des surfaces propres), et fonctionne sur pratiquement n'importe quelle surface sans laisser de résidu comme les adhésifs conventionnels. Les ingénieurs humains essaient de le reproduire depuis que le mécanisme a été identifié en 2002.

Plusieurs adhésifs synthétiques inspirés du gecko ont été développés — Geckskin à l'Université du Massachusetts, Adhésif Sec Contrôlé Directionnellement à Stanford — qui reproduisent l'adhésion directionnelle sans résidu du doigt du gecko. Les applications incluent des robots grimpeurs (la DARPA a financé des recherches sur des robots grimpeurs inspirés des geckos), des adhésifs médicaux qui peuvent être utilisés sur des tissus humides sans résidu, et des systèmes de ruban réutilisables. Le doigt du gecko a été affiné au cours d'environ 100 millions d'années d'évolution ; les versions synthétiques humaines ont environ 20 ans et n'ont pas encore pleinement égalé les performances du gecko sur tous les types de surfaces.

Chan T. Y. & Lin C. W. / Wikimedia Commons (CC BY 4.0)

La crevette pistolet (famille des Alpheidae) claque une pince agrandie si rapidement — se fermant en environ 700 microsecondes — qu'elle produit une bulle de cavitation : une région de pression si basse que l'eau se vaporise momentanément, produisant une bulle qui s'effondre avec une onde de choc atteignant des températures dépassant brièvement 5 000 Kelvin (plus chaud que la surface du soleil), un flash de lumière, et une onde de pression qui étourdit ou tue la proie à distance.

La crevette pistolet a résolu le problème d'utiliser la cavitation comme une arme contrôlée et dirigée — un problème que les ingénieurs humains n'ont pas résolu à une échelle et une efficacité comparables. Les ingénieurs navals ont étudié la cavitation principalement comme un problème à éviter (elle endommage les hélices de navires et les roues de pompes) plutôt que comme un mécanisme d'arme, mais la capacité de la crevette pistolet à générer une cavitation contrôlée avec une structure biologique suggère des possibilités pour des applications d'ondes de pression dirigées.

Le mécanisme biologique est actuellement principalement étudié par des chercheurs intéressés par la physique de la cavitation et par les propriétés matérielles de la pince, qui survit au choc mécanique répété du claquement sans défaillance par fatigue — une réussite en science des matériaux que les ingénieurs ont étudiée pour des applications dans des structures résistantes aux impacts.

Katya / Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0)

Le coléoptère bombardier (tribu Brachinini) produit un jet bouillant et caustique comme mécanisme de défense — une arme chimique binaire assemblée à partir de deux réactifs séparés (hydroquinones et peroxyde d'hydrogène) qui sont stockés dans des chambres séparées et mélangés dans une chambre de réaction uniquement lorsque le coléoptère déclenche la défense. La réaction produit des benzoquinones à environ 100°C et les éjecte dans un jet à impulsions rapides (à environ 500 impulsions par seconde) à une température suffisamment élevée pour dissuader la plupart des prédateurs.

Le mécanisme d'impulsion est l'exploit technique spécifique que les chercheurs trouvent le plus remarquable : le système du coléoptère produit un jet pulsé plutôt qu'un jet continu, utilisant une valve qui s'ouvre et se ferme rapidement au fur et à mesure que la pression monte et se relâche. Cette distribution pulsée est plus efficace qu'un jet continu avec la même production chimique totale, car les impulsions maintiennent une température élevée à la buse tout en utilisant moins de réactif.

Des chercheurs du MIT et de Leeds ont étudié le système de mélange binaire et le mécanisme à impulsions du coléoptère bombardier pour des applications incluant les systèmes d'injection de carburant (mélange plus efficace lors de la combustion), les systèmes de suppression d'incendie (taille et distribution des gouttelettes plus efficaces), et les systèmes de délivrance de médicaments (libération contrôlée à intervalles précis). L'ingénierie chimique du coléoptère est en service depuis environ 250 millions d'années.

Schokraie E, et al. / Wikimedia Commons (CC BY 2.5)

Les tardigrades (Tardigrada) — les animaux microscopiques à huit pattes parfois appelés oursons d'eau — survivent à une dessiccation complète (perte de toute l'eau corporelle), à des températures allant de près du zéro absolu à 150°C, au vide, à de fortes doses de rayonnement ionisant, et à des extrêmes de pression qui tueraient tout autre animal connu. Ils accomplissent cela en entrant dans un état appelé cryptobiose, dans lequel le métabolisme cesse essentiellement, le corps remplace l'eau par un sucre appelé tréhalose qui stabilise les structures cellulaires, et une classe de protéines appelées protéines intrinsèquement désordonnées forme une matrice semblable au verre autour et à l'intérieur des cellules qui empêche les dommages structurels pendant la dessiccation.

Le mécanisme de survie à la dessiccation du tardigrade suscite un intérêt intense chez les chercheurs travaillant sur le stockage de vaccins et de produits pharmaceutiques, la préservation des organes, et la survie des matériaux biologiques dans l'espace. Les vaccins actuels et de nombreux médicaments biologiques nécessitent une réfrigération tout au long de leur chaîne d'approvisionnement — un défi logistique et de coût important dans les milieux à faibles ressources dans le monde entier. Un mécanisme de survie à la dessiccation qui préserverait la puissance des vaccins à température ambiante serait transformateur.

Des chercheurs de l'Université du Wisconsin et d'ailleurs ont inséré des protéines de dessiccation de tardigrades dans des cellules humaines et ont découvert qu'elles conféraient une résistance mesurable à la dessiccation — suggérant que la solution moléculaire du tardigrade est au moins partiellement transférable. Les applications en sont au stade de recherche précoce ; la solution du tardigrade est en service depuis environ 500 millions d'années.

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La soie d'araignée est simultanément plus résistante que l'acier à poids égal, plus élastique que le nylon et biodégradable — une combinaison de propriétés mécaniques qu'aucun matériau conçu par l'homme n'a entièrement reproduite. La soie de fil de traînée, la soie structurelle que les araignées utilisent pour les rayons des toiles d'orbites, a une résistance à la traction d'environ 1,3 GPa et peut s'étirer jusqu'à 140 % de sa longueur d'origine avant de se casser. La soie de spirale capturante est encore plus élastique.

Les propriétés mécaniques émergent de la structure protéique spécifique de la soie d'araignée : une organisation hiérarchique de régions de feuillets bêta cristallins (responsables de la résistance) et de régions amorphes (responsables de l'élasticité) à plusieurs échelles, du niveau moléculaire au niveau des fibres. La combinaison de propriétés est produite par le processus de filage, qui aligne les chaînes protéiques sous tension contrôlée à mesure que la soie sort du fuseau.

Le défi de reproduire la soie d'araignée a occupé les scientifiques des matériaux pendant des décennies. Les araignées ne peuvent pas être élevées à grande échelle (elles sont territoriales et cannibales), donc la production recombinante de protéines de soie dans des bactéries, des levures et des chèvres transgéniques (dont le lait contient des protéines de soie) a été poursuivie. Bolt Threads et Spiber ont produit des matériaux de soie d'araignée recombinants à l'échelle commerciale ; les propriétés mécaniques des versions synthétiques approchent mais n'ont pas encore égalé celles de la soie d'araignée naturelle. Les applications incluent les sutures médicales, les vêtements de protection, les composants aérospatiaux et les matériaux structurels biodégradables.

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La peau de requin est recouverte de structures microscopiques en forme de dents appelées denticules dermiques (ou écailles placoïdes) qui réduisent la traînée en perturbant la couche limite turbulente de l'eau s'écoulant sur le corps du requin, permettant une nage plus rapide avec moins de dépense d'énergie. Les denticules empêchent également l'attachement de balanes, d'algues et de micro-organismes — une fonction antifouling auto-nettoyante obtenue sans aucune chimie biocide.

La combinaison de natation Fastskin de Speedo — qui a dominé la natation compétitive aux Jeux olympiques de Pékin en 2008 avant d'être interdite par la FINA pour avoir fourni un avantage compétitif trop important — a été conçue en utilisant la géométrie des denticules de peau de requin. Des revêtements de coque de navire basés sur les motifs de denticules de peau de requin sont en développement commercial, ciblant les environ 15 % de la consommation de carburant d'un navire attribuables à l'encrassement biologique (balanes et organismes qui s'attachent à la coque et augmentent la traînée). À l'échelle de la navigation mondiale, une réduction de 15 % de la consommation de carburant représenterait d'énormes économies d'énergie et de carbone.

Le système de denticules dermiques du requin s'est affiné pendant environ 450 millions d'années, produisant une surface qui gère la dynamique des fluides et l'encrassement biologique simultanément sans aucun besoin de maintenance.

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Le poisson-archer (Toxotidae) chasse en crachant des jets d'eau précisément dirigés sur des insectes sur la végétation au-dessus de la surface de l'eau, les faisant tomber dans l'eau. Le défi d'ingénierie spécifique qu'il a résolu est la compensation balistique pour la réfraction : la lumière se plie lorsqu'elle passe de l'air à l'eau, provoquant une différence entre la position apparente d'un objet vu depuis sous l'eau et sa position réelle. Le poisson-archer compense automatiquement cette réfraction, atteignant des cibles dont il n'a jamais observé directement la position réelle.

Des recherches publiées dans Current Biology en 2012 ont révélé que le poisson-archer non seulement compense la réfraction mais apprend à ajuster sa visée lorsque l'angle d'attaque change — démontrant une compensation géométrique flexible et apprise que les chercheurs n'avaient pas précédemment attribuée aux poissons. Le poisson compense également la trajectoire parabolique du jet d'eau, tenant compte de l'effet de la gravité sur le jet.

Les ingénieurs travaillant sur la vision par ordinateur et les systèmes robotiques ont étudié l'acquisition de cibles par le poisson-archer comme modèle pour des systèmes qui doivent opérer à travers des frontières de médias avec différentes propriétés optiques — des applications comprenant des drones sous-marins qui doivent cibler des objets de surface, et des systèmes optiques qui doivent compenser la réfraction variable dans des conditions atmosphériques ou aqueuses.

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Les colonies de fourmis résolvent le problème du voyageur de commerce — trouver le chemin le plus court reliant plusieurs points — par un processus décentralisé appelé optimisation par colonies de fourmis, dans lequel des fourmis individuelles déposent des traces de phéromones qui renforcent les chemins plus courts (car les fourmis parcourant des chemins plus courts terminent le circuit plus rapidement et déposent plus de phéromones par unité de temps). Sans aucun calcul central, la colonie converge vers des solutions presque optimales à des problèmes de routage qui sont inaccessibles aux algorithmes humains.

L'algorithme d'optimisation par colonies de fourmis, formalisé par Marco Dorigo dans les années 1990, est maintenant l'un des outils standards en optimisation computationnelle et est utilisé dans le routage logistique, la conception de réseaux, la prédiction de structures protéiques et les problèmes d'optimisation combinatoire dans de nombreux domaines. Les algorithmes logistiques de Google $GOOGL et d'Amazon $AMZN intègrent des principes d'optimisation par colonies de fourmis.

L'accomplissement spécifique de la colonie de fourmis n'est pas seulement l'efficacité du routage mais la robustesse de l'optimisation : la colonie s'adapte en temps réel aux changements de l'environnement (une source de nourriture qui disparaît, un chemin qui est bloqué) grâce au même mécanisme de renforcement par phéromones, maintenant des solutions presque optimales sans qu'aucune fourmi individuelle n'ait une carte ou un plan. Cette optimisation adaptative en temps réel dans un système distribué sans contrôleur central est précisément l'architecture que les ingénieurs travaillant sur des infrastructures résilientes et des systèmes autonomes essaient de construire.

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La crevette-mante paon (Odontodactylus scyllarus) frappe ses proies avec une appendice en forme de massue qui accélère à 10 400 g — plus vite qu'une balle de calibre .22 — et délivre une force de frappe environ 1 000 fois supérieure au poids de son propre corps. La massue elle-même survit à des milliers de ces frappes sans se fracturer, un exploit de résistance aux impacts qui a suscité une attention considérable des ingénieurs en matériaux.

La structure de la massue a été analysée à l'aide d'imagerie aux rayons X $TWTR synchrotron et se compose de trois régions distinctes : une surface d'impact durcie d'hydroxyapatite (le minéral des os), une région de fibres en chevrons qui distribue l'onde de choc à travers la section transversale de la massue sans propagation de fissures, et une région périodique de composite minéral-fibre qui dissipe l'énergie restante. L'orientation des fibres en chevrons est l'innovation structurelle spécifique sur laquelle se concentrent les ingénieurs en matériaux.

Les chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont produit des composites en fibre de carbone bio-inspirés utilisant l'orientation des fibres en chevrons et ont constaté une amélioration de la résistance aux impacts par rapport aux orientations conventionnelles des fibres. Les applications incluent les armures de corps militaires, les panneaux d'avion et les structures de protection pour bâtiments. La massue de la crevette-mante est en service depuis environ 400 millions d'années.

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L'anguille électrique (Electrophorus electricus) — en fait un poisson-couteau plutôt qu'une véritable anguille — génère des décharges électriques allant jusqu'à 860 volts et 1 ampère à partir d'électrocytes : des cellules spécialisées dérivées des cellules musculaires qui fonctionnent comme des batteries biologiques, empilées en série dans le corps de l'anguille pour produire une haute tension à partir de la très petite différence de tension que chaque cellule génère. L'anguille électrique a résolu le problème de la génération de haute tension à partir du potentiel chimique à l'échelle biologique.

Des chercheurs de l'Université du Michigan ont publié en 2017 dans Nature un travail décrivant un organe électrique artificiel inspiré par l'empilement d'électrocytes de l'anguille électrique : une série de chambres d'hydrogel contenant des solutions alternant haute et basse teneur en sel, produisant 110 volts à partir d'une structure douce, flexible et biocompatible. L'organe artificiel est actuellement trop petit pour alimenter des dispositifs médicaux implantés mais représente une preuve de concept pour la génération d'énergie basée sur des matériaux souples et biologiquement inspirés.

L'application qui motive la plupart des recherches : une source d'énergie biocompatible pour les dispositifs médicaux implantés (stimulateurs cardiaques, interfaces neuronales, systèmes de délivrance de médicaments) qui pourrait remplacer les batteries au lithium rigides actuellement utilisées, nécessitant un remplacement chirurgical lorsqu'elles sont épuisées. Le système de génération d'énergie de l'anguille électrique fonctionne sur des gradients ioniques qui sont continuellement reconstitués par le métabolisme — une batterie rechargeable qui a été en opération continue pendant la durée de vie de l'anguille.

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La feuille de lotus (Nelumbo nucifera) repousse l'eau avec une efficacité quasi parfaite : les gouttelettes d'eau se forment en sphères presque parfaites à la surface de la feuille et roulent, emportant avec elles toute poussière ou contaminants, laissant la feuille perpétuellement propre. Cette propriété autonettoyante — l'effet lotus — est produite par une texture de surface micro- et nanométrique de saillies cristallines cireuses qui minimisent la zone de contact entre la gouttelette d'eau et la surface de la feuille, emprisonnant l'air sous la gouttelette et produisant des angles de contact d'environ 160 degrés (les gouttelettes d'eau sont presque parfaitement sphériques sur la surface).

L'effet lotus est l'application de biomimétisme la plus développée commercialement sur cette liste. La peinture extérieure Lotusan de Sto AG, lancée en 1999, incorpore la texture de surface du lotus et a été appliquée à des millions de mètres carrés de façades de bâtiments dans le monde entier, ne nécessitant aucun nettoyage car l'eau de pluie élimine automatiquement les contaminants. Des traitements de tissus à effet lotus, des revêtements de verre et des finitions textiles autonettoyantes sont commercialement disponibles.

La recherche active est de produire des surfaces à effet lotus qui maintiennent leurs propriétés sous usure mécanique — la couche cireuse de la feuille de lotus se régénère continuellement par en dessous, remplaçant la structure de surface usée, un mécanisme d'autoréparation que les surfaces synthétiques à effet lotus ne possèdent pas encore.

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La seiche (Sepia) change la couleur, le motif et la texture de sa peau en environ 200 millisecondes — plus vite que l'œil humain ne peut suivre entièrement — en utilisant une combinaison de chromatophores (cellules contenant des pigments qui s'étendent et se contractent sous contrôle musculaire), d'iridophores (cellules qui produisent une couleur structurelle par interférence de films minces) et de papilles (projections musculaires qui changent la texture de la peau). Le résultat est un système de camouflage dynamique d'une polyvalence extraordinaire qui n'a pas d'équivalent technologique à échelle ou vitesse comparables.

Le défi de reproduire le camouflage de la seiche est l'intégration du changement de couleur, de motif et de texture dans un seul système flexible — des optiques adaptatives qui gèrent simultanément les pigments, la couleur structurelle et la topographie de surface. L'armée américaine a financé des recherches importantes sur le camouflage adaptatif inspiré des seiches, et des chercheurs du MIT, de Harvard et d'ailleurs ont produit des matériaux qui reproduisent des composants individuels (couches changeant de couleur, surfaces changeant de texture) sans encore intégrer les trois.

La démonstration de camouflage inspirée de la seiche la plus avancée, publiée dans Science en 2018 par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a produit un dispositif optoélectronique flexible qui pouvait détecter automatiquement son arrière-plan et ajuster son motif pour correspondre — une version rudimentaire de la correspondance de motifs autonome de la seiche dans un dispositif en silicium rigide qui ne pouvait pas égaler la vitesse ou la flexibilité de la seiche.

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Le pic (famille des Picidae) frappe un arbre à environ 6 à 7 mètres par seconde, décélérant à environ 1 000 g, jusqu'à 20 fois par seconde pendant des heures, sans subir de lésion cérébrale ou de commotion. La tolérance humaine pour un seul impact de 100 g est approximativement le seuil de blessure cérébrale traumatique ; le pic dépasse cela par un facteur de dix à chaque frappe et le fait de manière répétée sans dommage accumulé.

Les mécanismes d'absorption d'impact du pic ont été analysés en profondeur par des chercheurs motivés par le désir d'améliorer les casques de protection et les systèmes de montage anti-choc pour l'électronique. Le crâne du pic contient plusieurs structures protectrices : un crâne épais avec des couches osseuses internes et externes inégales qui transfèrent l'énergie d'impact vers le cerveau dans une direction tangentielle plutôt que compressive, un os hyoïde spécialisé (l'os de la langue) qui s'enroule presque complètement autour du crâne et agit comme une ceinture de sécurité, des longueurs de bec supérieures et inférieures asymétriques qui dirigent la force compressive loin du cerveau, et un cerveau relativement petit qui s'adapte parfaitement au crâne sans l'écart de liquide céphalo-rachidien qui cause des blessures cérébrales humaines à l'impact.

Les ingénieurs de l'Université de Californie Berkeley ont conçu un système d'absorption de chocs multicouche inspiré par l'anatomie protectrice multicouche du pic, démontrant une résistance améliorée aux impacts pour les disques durs. Les concepteurs de casques ont incorporé des couches de distribution d'impact asymétriques inspirées des pics dans les casques de sport professionnels.

Péter Kövesi / Pexels

De nombreuses espèces d'oiseaux migrateurs — y compris les rouge-gorges européens, les fauvettes à tête noire et les pigeons voyageurs — naviguent en utilisant le champ magnétique terrestre avec une précision que les boussoles magnétiques humaines ne peuvent atteindre à taille ou consommation d'énergie comparables. Le mécanisme spécifique reste l'une des questions les plus activement recherchées en biologie sensorielle : l'hypothèse principale implique l'intrication quantique de paires d'électrons dans les protéines cryptochromes des yeux des oiseaux, que le champ magnétique influence d'une manière dépendante de la direction que le système visuel de l'oiseau détecte comme une superposition directionnelle sur son champ visuel.

L'hypothèse de la boussole quantique — selon laquelle les oiseaux utilisent des effets mécaniques quantiques dans des molécules biologiques pour la détection magnétique — est l'une des rares applications proposées de la biologie quantique dans un organisme macroscopique et a attiré une attention significative de la part des physiciens ainsi que des biologistes. Si elle est confirmée, elle représenterait un capteur quantique biologique fonctionnant à température ambiante, qu'aucun capteur quantique humainement conçu ne peut réaliser (les capteurs quantiques actuels nécessitent un refroidissement proche du zéro absolu).

Des recherches publiées dans Nature Chemistry en 2021 ont trouvé des preuves directes que le mécanisme de la protéine cryptochrome est sensible aux champs magnétiques à l'échelle pertinente, renforçant l'hypothèse de la boussole quantique. Les ingénieurs travaillant sur les dispositifs de détection quantique suivent de près les recherches sur la navigation des oiseaux, car un capteur quantique biologique à température ambiante représenterait une avancée significative par rapport à l'état actuel de la technique.

Bachware / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Turritopsis dohrnii — une petite méduse d'environ 4,5 mm de diamètre, trouvée dans les océans tempérés et tropicaux du monde entier — est le seul animal connu capable de revenir à son stade juvénile de polype après avoir atteint la maturité sexuelle, un processus appelé transdifférenciation dans lequel des cellules adultes différenciées reviennent à un état de cellule souche pluripotente et se redifférencient en cellules nécessaires pour reconstruire un organisme juvénile. Le processus peut se répéter indéfiniment — la méduse est biologiquement immortelle dans le sens où elle peut alterner indéfiniment entre adulte et juvénile sous stress.

Le mécanisme biologique spécifique — la transdifférenciation, dans laquelle une cellule mature change d'identité pour devenir un autre type de cellule — suscite un immense intérêt pour la médecine régénérative et la recherche sur le vieillissement. Chez la plupart des animaux, les cellules différenciées (une cellule musculaire cardiaque, une cellule hépatique, un neurone) conservent leur identité de façon permanente, et la perte de fonction des tissus avec l'âge reflète l'accumulation de cellules endommagées qui ne peuvent être remplacées par de nouvelles du même type. Un mécanisme qui pourrait orienter les cellules matures vers la transdifférenciation en les types de cellules nécessaires à la réparation serait transformateur.

La recherche sur le mécanisme de transdifférenciation de Turritopsis dohrnii en est à ses débuts — la méduse est difficile à maintenir dans des conditions de laboratoire et son génome a seulement été séquencé récemment. Une étude de génomique comparative de 2022 a identifié des gènes associés à la réparation de l'ADN et à la transdifférenciation présents chez T. dohrnii à des niveaux d'expression plus élevés que chez les espèces apparentées. La méduse a résolu l'immortalité biologique ; le mécanisme commence à être compris.

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La termitière de la termite africaine Macrotermes michaelseni maintient une température interne d'environ 31°C tout au long de l'année dans un environnement extérieur variant entre 3°C la nuit et 42°C le jour — un exploit de régulation de température de 39°C sans aucun système de chauffage ou de refroidissement actif. La termitière est entièrement passive, s'appuyant sur la géométrie spécifique des tunnels internes, cheminées et évents pour gérer le flux convectif de l'air à travers la structure.

L'architecte zimbabwéen Mick Pearce a étudié l'architecture des termitières de Macrotermes pour concevoir le Eastgate Centre à Harare, achevé en 1996 — un grand complexe de bureaux et de commerce de détail qui n'utilise ni climatisation ni chauffage conventionnels malgré les grandes variations de température quotidienne à Harare. Le système de refroidissement passif du bâtiment, basé sur la géométrie convective des termitières, utilise environ 10% de l'énergie qu'un bâtiment climatisé conventionnel de taille comparable utiliserait. C'était le premier bâtiment à grande échelle explicitement conçu en utilisant la biomimétique des termitières.

L'innovation architecturale spécifique que les termitières fournissent n'est pas une caractéristique unique mais un système : l'intégration de la masse thermique (la terre de la termitière), la gestion du flux d'air convectif (la géométrie des cheminées et tunnels), et le contrôle de l'humidité (les jardins de champignons qui génèrent de la chaleur et consomment du dioxyde de carbone) dans une structure qui gère le climat par des moyens purement passifs. Les ingénieurs qui appliquent ce système à l'échelle du bâtiment explorent un espace de conception que les termites optimisent depuis environ 50 millions d'années.

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L'albatros hurleur (Diomedea exulans) parcourt des dizaines de milliers de kilomètres à travers l'océan Austral avec une envergure pouvant atteindre 3,5 mètres et une dépense énergétique si faible qu'à vitesse de croisière, elle est à peine au-dessus du taux métabolique de repos de l'oiseau. Il y parvient grâce au vol dynamique — une technique de vol qui extrait l'énergie du gradient de vent au-dessus de la surface de l'océan, montant alternativement dans un vent plus rapide et descendant dans un vent plus lent en un motif en huit, convertissant la différence de vitesse du vent à différentes altitudes en mouvement vers l'avant sans battre des ailes.

La technique de vol dynamique de l'albatros est étudiée par les ingénieurs aérospatiaux depuis les années 1880, lorsque Lord Rayleigh a décrit pour la première fois la physique, et reste le mode de vol autonome le plus efficace en énergie connu. Un drone ou un planeur utilisant le vol dynamique au-dessus de l'océan pourrait en principe voler indéfiniment sans autre source d'énergie que le gradient de vent — une capacité qui serait transformatrice pour la surveillance océanique, la surveillance maritime et la science atmosphérique à long terme.

Des chercheurs du MIT, de la NASA et de plusieurs universités ont développé des drones autonomes capables de vol dynamique dans des conditions océaniques, démontrant une endurance de vol bien supérieure à celle des équivalents alimentés par batterie. L'albatros utilise la même technique depuis environ 30 millions d'années, maîtrisant l'extraction d'énergie d'une ressource — le gradient de vent — qui est continuellement disponible sur la plupart des océans du monde et que l'aviation humaine a presque entièrement ignorée.