Le Biomimétisme
Le gecko :
Notre premier exemple est notre innovation biomimétique préférée, c'est pour cela que nous la traiterons en premier. Nous espérons qu'elle vous intéressera autant que nous. Bonne lecture.
La suite de la page sera structurée de la manière suivante :
Biologie de l'espèce animale/ Principe physique/ Application correspondante
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Biologie de l'espèce animale :
Le gecko (Gekkota) est une espèce captivante.
Tout d'abord, il faut la placer dans l'arbre du vivant :
elle appartient à la branche animale du vivant, est rattachée à l'embranchement des chordés, au sous-embranchement des vertébrés, classée dans la famille reptilienne de l'ordre des squamates et puis du sous-ordre des sauriens.
(vous pouvez cliquer sur les images pour accéder aux pages internet correspondantes)
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Ainsi, le gecko possède des particularités qui sont propres à sa famille et également des particularités qu'on retrouve seulement chez cette espèce :
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- son origine est ancienne (vieille de 50 à 60 millions d'années)
- elle est originaire du continent asiatique
- le gecko vit dans les milieux tempérés et chaud, de préférence avec une forte humidité (tel les forêts tropicales, où ils sont nombreux)
- sa durée de vie est d'une quinzaine d'année
- ce sont des animaux à sang froid ovipares à très forte capacité d'adaptation
- ils existent sous plusieurs familles de geckos, avec chacune des spécificités et des modes de vies différents
- il est en général arboricole et son apparence se rapproche de celle des lézards
- la taille des geckos varie entre 5 et 30 cm
- l'espèce n'est pas menacée, mises à parts quelques familles d'individus, minoritaires
- les espèces les plus connus de gecko sont le Gecko tokay, le Phelsuma, le Gecko léopard, le Margouillat, les Uroplatus et la Tarente.
-ainsi, l'effet de la sélection naturelle et de l'évolution biologique leur ont permis de se doter de caractéristiques révolutionnaires...
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La particularité du gecko, qui nous intéresse le plus du point de vue de l'innovation biomimétique, est la suivante :
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-cette espèce possède la faculté d'adhérer, avec une puissance considérable, à tout type de surface pour se déplacer librement, sans difficulté et avec une aisance surprenante.
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-une telle faculté est rendue possible par la présence sous leurs doigts de setae, des sortes de poils microscopiques répartis entre les lamelles adhésives du gecko, un système digital complexe.
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-ces setae mesurent vers 0,2-0,5 nanomètres ! de plus, ils sont extrêmement denses et constitués majoritairement de kératine (une protéine fibreuse très répandue dans la biologie animale d'espèces ayant beaucoup évolués).
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-les caractéristiques des setae permettent aux espèces qui en possèdent (majoritairement les geckos) de grimper à quasiment toutes les parois existantes, y compris le verre, peu importe l'inclinaison, avec une rapidité et une agilité hors du commun.
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-pour en revenir aux geckos, ils possèdent une maitrise complète de cette capacité d'adhésion, pouvant se décoller et se recoller à volonté, plus de 10 fois par seconde!
Et ils leur suffisent d'un seul doigt pour porter tout son corps et rester suspendu à l'horizontal, et il en a 20...
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On connaît désormais mieux l'espèce que nous étudions, c'est évidement son incroyable faculté d'adhésion qui nous intéresse pour l'innovation biomimétique.
Maintenant que nous savons comment eIle s'organise biologiquement, nous devons savoir comment marche cette particularité, quel est le secret de sa force adhésive ; et pour cela, nous utiliserons la physique afin d'obtenir les informations que nous cherchons.
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Principe physique :
Bien qu'hors-normes, la caractéristique qui nous intéresse, la force d'adhésion des setae du gecko, n'est pas magique, elle est physique ! (et également biologique)
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En effet, les scientifiques ont démontré (à l'aide en grande partie de micros détecteurs électromécaniques) que cette force qui permet aux geckos de grimper partout, sans problème, et avec une dextérité jamais égalée est entièrement due à un principe de physique nommé "Force de van der Walls".
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Et c'est de cette force que nous traiterons dans la partie de science physique et chimique de cette page :
Premièrement, il est important de préciser que cette force (aussi appelée interaction ou liaison de van der Walls) représente une grande part du domaine de l'interaction électrique de faible intensité au niveau moléculaire ; pour cette raison, nous étudierons uniquement la force adhésive de van der Walls.
De plus, c'est cette force qui régit les setae, ce pourquoi nous nous intéresserons seulement à cet aspect.
La force adhésive de van der Walls :
Comme dit précédemment, ce principe appartient au domaine de la physique-chimie, et plus particulièrement à celui de l'interaction électrique à faible intensité .
Cette force se déroule à très courte distance (l'espace entre atomes et molécules) et est nommée ainsi en l'honneur du physicien néerlandais Johannes Diderik van der Waals.
Pour de plus amples explications sur ce phénomène physique, nous vous invitons à visiter cette page qui est plus précise et tout aussi intéressante sur le sujet : http://culturesciences.chimie.ens.fr/content/les-forces-de-van-der-waals-et-le-gecko
La force est constituée de 3 autres forces essentielles, les voici :
forces de Keesom / forces de Debye / forces de London
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La force de van der Walls s'applique par l'équation suivante:
E(VdW) = (E(Keesom) + E(Debye) + E(London) ) * (-1/r^6)
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Cela montre que la force de VdW prend place avec la somme des trois autres, et le tout multiplié par la fonction -1/r^6, où r correspond à la distance moyenne entre les molécules qui utilisent la force, en nanomètres.
Maintenant que nous savons comment se calcule, se nomme et se démontre la force utilisée par le gecko, il nous faut comprendre de quelle manière ce principe marche et prend place :
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si la distances entre les molécules usant de la force de VdW est courte, le principe respecte les règles chimiques fondamentales (lois de Casimir en particulier), mais si la distance est très longue, alors elle respecte les lois de l'électrodynamique quantique.
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elle s'intègre aux mêmes règles données par les domaines de l'interaction électrostatique multipolaire.
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Voici des schémas illustrants la force de VdW :
Pour simplifier, la force d'attraction représentée par ces schémas s'applique au niveau électrostatique par les 3 forces désignés précédemment :
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La première, Keesom, s'explique lorsque les deux molécules polaires mises en relation s'orientent les unes par rapport aux autres en se plaçant dans le champ électrique des autres ; l'énergie d'attraction dipolaire alors crée est relativement faible (guère plus de 3 kJ par mol).
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La seconde, l'introduction de Deybe, est interprétée lorsque une molécule polaire et une molécule non polaire se polarisent sous l'influence de l'énergie électronique de celle polaire ; l'énergie attractive et strictement électrique dégagées est alors tout aussi petite que pour Keesom.
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Enfin, la dernière, l’effet de London, est mise en évidence entre les molécules non polaires, le mouvement perpétuel du nuage électronique dans la ou les molécules engendre un mouvement instantané différent de 0 ; et c'est ce déplacement qui peut polariser les molécules alentours, donnant une interaction entre molécules non polaires. L'énergie formée est à peine plus élevée que la somme des deux précédentes, ce qui explique que la force des liaisons de VdW ne soient pas très élevée.
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C'est donc la somme de ces trois forces électrostatiques qui définissent l'application de la force de VdW.
On remarque que dans tout les cas, il y a une interaction avec la polarité électrique des atomes et des molécules ; on s'aperçoit aussi que les liaisons régissant la force se doivent aux atomes (électriquement positifs), au nuage électronique (négatif) et à leurs mouvements. C'est surtout cela, et le fait que les charges opposés s'attirent, qui donnent l'attraction de VdW dont se sert le gecko, qu'il applique en collant ses lamelles adhésives à la surface et en déplaçant la charge électrostatique des ses setae.
On comprend alors, par l'équation de VdW exposée précédemment , que le gecko puisse posséder une telle puissance attractive, en effet, car bien que la force exercée par un poil (usant de la force de VdW) soit faible, si l'on ramène cette force au nombre de poils du gecko, qui atteint plusieurs millions ! , alors on comprend que la force attractive du gecko soit conséquente.
On sait à présent comment s'articule au niveau physique et chimique la faculté du gecko que nous allons biomimer. Il nous reste ensuite à étudier ce que cette innovation peut et va apporter à la société grâce aux applications à tirer, aux domaines, et à sa place ; et c'est ce que la partie à venir apportera.
Application correspondante :
Le gecko est captivant de part toutes ses spécificités qui font de lui un miracle de l'évolution biologique, mais sa caractéristique la plus fascinante de part son intérêt scientifique et biomimétique est bien évidement sa faculté d'adhésion. Cette espèce possède ainsi le contrôle d'un principe physique très complexe est puissant, ce serait donc un réel gâchis de ne pas profiter d'une telle innovation qui est à notre portée.
Fort heureusement, la machine biomimétique entre en fonction dans cet exemple pour en extraire le meilleur et l'appliquer à notre science, c'est ce que nous montrerons dans cette partie de notre page qui est essentielle.
Premièrement, commençons par les domaines touchés par cette innovation biomimétique :
Dès que la découverte a été rendue publique, que l'on a diffusé l'information qu'il existait un animal capable de s'accrocher à presque toutes les surfaces avec une puissance hors du commun, sans aucune difficulté, à volonté, à une rapidité déconcertante (quelques millisecondes) sans contraintes particulières et avec une agilité jamais vue ; et que l'on avait percé le secret de ce miracle en comprenant que l'on pouvait le copier et le mimer, alors les industriels ont sautés dessus pour être les premiers à mettre la main sur une telle innovation. La première idée d'application a donc été technologique.
Puis, l'Etat (comme bien souvent, en retard par rapport à la société intellectuelle), s'est ensuite intéressé à l'innovation, mais cette fois en envisageant une application militaire à ce biomimétisme, pour lui permettre de prendre un tour d'avance dans la course à l'armement et à l'innovation militaire.
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Après les domaines d'applications, il est temps de parler des applications en elles-mêmes :
La première application de cette faculté d'adhésion se place dans le domaine technologique:
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il s'agit de la réalisation d'une colle 100 % recyclable (car ce qui est complètement inspiré de la nature ne pollue pas, l'humanité a beau être imparfaite, la nature est parfaite) ; ce super adhésif à usage industriel et scientifique est 40 fois plus puissante que les colles du marché, inusable à répétition et coûte bien moins cher à produire, le poids supporté par la surface adhésive (surnommée "gecksckin") est très élevé pour cause de la force de Vdw. On retrouve son utilisation dans le domaine automobile, commercial, dans l'ingénierie de précision, dans les industries spécialisés, etc... où les scientifiques ont réussis à copier au niveau moléculaire, et à améliorer les capacités, des setae des geckos afin de les transmettre dans une colle et un adhésif..
En effet, de nombreux laboratoires ont reproduits la structure nanométrique des spatules du gecko en un super-adhésif, le geckskin, et cette innovation technologique est très simple d'utilisation en tant que simple "scotch". Il suffit de l'appliquer sur la surface voulue en une simple pression, il est alors très difficile de le retirer une fois collé ; et ce qui démarque cet adhésif, est qu'il est tout aussi facile de le retirer : il suffit pour cela de tirer dessus avec un mouvement de pelage, comme le fait le gecko.
Les applications de cet adhésif innovant et biomimétique continue à trouver application dans pleins d'autres domaines...
La seconde utilisation à cette innovation se place dans le domaine militaire:
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les ingénieurs et chercheurs de l'armée ont développés grâce à l'étude des geckos et de leur force adhésive, des équipement avec quasiment les mêmes capacités destinés à l'armée.
Ce type d'armement permet aux soldats et machines de grimper avec une facilité et une maitrise jamais vue auparavant, un homme peut alors même atteindre les 0,5m/s sur une surface verticale ! Cependant, ce genre d'équipement est encore en phase de développement dans les laboratoires militaires.
Les bienfaits pour la sécurité et le développement militaire sont considérables, il n'est plus si éloigné le temps où l'Homme marchera sur les murs...
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Donc, il est temps de conclure sur la place de cette innovation biomimétique dans la société :
Le biomimétisme du gecko est très instructif et riche en connaissances pour la science (il a par exemple permit de faire un immense pas en avant dans la compréhension et l'application de la force de van der Walls ), mais également pour la société et son économie, car il a permit de réaliser des innovations impressionnantes dans de multiples domaines, où sa puissance d'adhésion est très recherchée.
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Ceci n'est qu'une minuscule partie de tout ce qu'a à nous apporter le biomimétisme, et donc si ce n'est pas par simple curiosité intellectuelle que nous devons poursuivre dans cette voie, faisons-le au moins tout le développent que cela nous apportera...
Et cet exemple du gecko en est une illustration parfaite, et nous conclurons là-dessus pour cette page.
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Nous espérons que cette page et que le gecko vous ont plu autant qu'à nous ; bonne suite de découverte de nos exemples.
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