La nature est bien faite : le biomimétisme dans l’architecture et l’ingénierie
Aujourd’hui, le lien le plus fort qui unisse conception et biologie repose sur une « innovation » vieille de plusieurs millions, voire plusieurs milliards d’années.
Le biomimétisme consiste à imiter des modèles, systèmes et éléments de la nature dans le but de résoudre des problèmes humains complexes. Dans l’architecture et l’industrie, il se traduit par la conception de bâtiments et de produits simulant ou reproduisant des processus naturels. On y trouve notamment des fils d’araignée synthétiques ultrarésistants, des adhésifs inspirés des pattes du gecko ou des pales d’éoliennes en forme de nageoire de baleine.
« La manière dont les systèmes biologiques résolvent les problèmes diffère de celle des systèmes conçus par l’homme », explique Peter Niewiarowski, biologiste de l’Université d’Akron et chercheur au Centre de Recherche et d’Innovation en Biomimétisme de celle-ci.
Selon lui, les solutions conçues par l’homme sont rudimentaires et additives. Elles sont basées sur l’utilisation de davantage de matériaux et d’énergie (deux ressources coûteuses) pour accélérer les réactions. Les processus naturels quant à eux exploitent des géométries et des propriétés matérielles qui sont uniques.
L’adhérence des pattes de gecko, étudiée par Peter Niewiarowski, en est un exemple. Pour simuler l’aptitude d’un gecko à grimper sur les murs, il est possible de se fixer une batterie sur le dos et de faire passer de l’électricité à travers des électro-aimants n’adhérant qu’aux surfaces métalliques. En réalité, les pattes des geckos sont couvertes de poils ténus qui exercent tous une attraction moléculaire minuscule, offrant ainsi son adhérence à l’animal.
La nature est « paresseuse et intelligente » avance Sigrid Adriaenssens, une professeure d’ingénierie de Princeton, qui mène des recherches sur le biomimétisme. La nature a la capacité exceptionnelle de transformer les déchets en ressources : un outil essentiel pour équilibrer les écosystèmes que l’architecture a ignoré pendant la majeure partie de son histoire.
Mais pour les concepteurs, la nature est une véritable source d’inspiration en matière de gestion hyper efficiente des ressources et d’économie circulaire. La nature pratique également une sorte de « régionalisme critique », un concept selon lequel l’architecture devrait refléter son contexte géographique et culturel. Il existe, par exemple, des parasites dont l’évolution est si spécifique qu’ils ne peuvent survivre que sur un seul type d’hôte.
Ces qualités spécifiques de la nature ont mis énormément de temps à se mettre en place : « 3,8 milliards d’années de recherche et de développement » s’amuse Jamie Dwyer de la société de conseil en biomimétisme Biomimicry 3.8. « C’est la durée de l’évolution de la vie. »
Cette entreprise a été fondée par Janine Benyus, dont le livre Biomimétisme: Quand la nature inspire des innovations durables, paru en 1997 aux États-Unis, a fait d’elle le plus évident porte-drapeau du biomimétisme. « Si l’on rapporte toutes les créatures encore vivantes aujourd’hui à toutes celles qui ont disparu, il s’agit d’un dixième de pour cent », précise Jamie Dwyer. Les solutions biologiques sont le résultat de millions de prototypes ayant échoué.
À Princeton, Sigrid Adriaenssens a commencé à s’intéresser au biomimétisme non pas en cherchant des moyens par lesquels la nature pourrait résoudre des problèmes d’ingénierie, mais en s’apercevant que les solutions les plus efficaces ressemblaient souvent à des éléments naturels. Selon elle, la nature « utilise de petites quantités de matériaux et les place au bon endroit. »
Elle cite l’exemple des courbes organiques des coquillages. « Leurs coquilles ne contiennent pas beaucoup de matière, explique-t-elle, mais elles tirent leur rigidité structurelle de leur forme. »
En tant qu’ingénieure, Sigrid Adriaenssens travaille à l’élaboration d’écrans qui exploitent l’élasticité, la géométrie et le thermobimétal afin de s’ouvrir et de se fermer en fonction de la lumière du soleil, à l’image d’une fleur. Les architectes invoquent le biomimétisme plus souvent que les ingénieurs, mais tout porte à croire que l’ingénierie a plus en commun avec cette démarche. Bien qu’elle produise souvent de la beauté, la biologie se soucie moins des choix esthétiques que l’architecture. Tout comme l’ingénierie, elle ne recherche que l’utilité brute, la grâce de la symétrie n’étant qu’une conséquence éventuelle.
Jenny Sabin, professeure d’architecture et directrice du Sabin Design Lab à l’université Cornell, s’est concentrée sur le tissage comme outil analogique inspiré par la nature en produisant des toiles photoluminescentes aux structures indéniablement cellulaires. Le tissage reproduit le comportement des réseaux cellulaires et la façon dont les cellules se lient les unes aux autres pour former des tissus. « Toute la morphologie repose sur des systèmes de nappes fibreuses, explique-t-elle, le tissage est le tout premier exemple d’impression en 3D. C’est comme si chaque maillon prenait place de manière additive, ligne après ligne. »
Son projet eSkin, financé aux États-Unis par la Fondation nationale pour la science en collaboration avec l’expert en sciences des matières Shu Yang, les ingénieurs en mécanique Jan Van der Spiegel et Nader Engheta, et la biologiste cellulaire Kaori Ihida-Stansbury, intègre la couleur structurale afin de modifier l’opacité et la couleur d’un matériau en fonction du niveau de luminosité du soleil.
À titre d’exemple de couleurs structurales à l’état naturel, on peut citer les ailes du morpho bleu ou les plumes des colibris. Inspirée par ce comportement cellulaire unique, l’équipe d’eSkin cherche à exploiter ces caractéristiques et leurs effets naturels dans le cadre du biomimétisme, afin de créer des revêtements de façade évolutifs qui utilisent des matériaux réactifs et des boucles de rétroaction par le biais de capteurs, afin de s’adapter aux stimuli environnementaux.
L’installation Apertures par B+U Architecture explore aussi les possibilités des boucles de rétroaction, mais elle considère le bâtiment entier en tant qu’organisme. Fabriquée à partir de polymères plastiques thermoformés lui donnant l’allure d’une armure de Storm Trooper parsemée de hublots en forme de bernaches vertes, l’installation fait inévitablement penser, de par sa géométrie, à une version science-fiction du haricot magique des contes pour enfants.
Cette structure dispose de détecteurs de chaleur capables de déceler la présence des visiteurs à proximité de l’encadrement des hublots. Les détecteurs traitent ces données thermiques à l’aide d’un algorithme (les utilisant comme proxy pour la circulation sanguine et l’activité neurologique) puis transforment ces informations en émission sonore. On obtient un léger bourdonnement lorsque seules quelques personnes se trouvent dans l’installation, mais le son s’amplifie à mesure que le son attire d’autres personnes.
« Ça revient à mesurer le niveau d’excitation », résume Herwig Baumgartner, collaborateur à B+U. « Ce n’est qu’après quelques instants, au fur et à mesure que le nombre de personnes qui interagissent avec l’œuvre augmente, que le son gagne en puissance. C’est une sorte de boucle de rétroaction. » En effet, les visiteurs sont d’abord attirés par le bourdonnement, puis ils fuient le brouhaha, pour finalement revenir une fois le calme rétabli.
C’est une façon inhospitalière de présenter le biomimétisme. Ce n’est donc pas surprenant que Herwig Baumgartner avoue qu’il n’a pas « un rapport romantique à la nature ». Le genre de nature qui les intéresse, lui et son entreprise, est le domaine des simulations mécaniques. « Ça semble naturel, mais c’est en réalité super artificiel », explique-t-il.
Et que se passerait-il si les composants utilisés qu’on utilise dans la conception étaient vraiment vivants ? Le biomimétisme est un domaine nouveau dont les frontières sont encore floues, mais il existe globalement deux approches : la simulation de procédés biologiques et la reproduction de matières vivantes, aussi appelée bio-utilisation.
Dans l’optique de réduire les émissions de carbone dans la fabrication des produits de construction, bioMASON produit des briques dans son usine de Caroline du Nord, aux États-Unis, dans des conditions similaires à celles d’une serre, sans utiliser de four. « Nous fabriquons du ciment biologique », déclare son fondateur et PDG, Ginger Krieg Dosier.
Leur procédé fait appel à une bactérie qui altère l’équilibre du pH de son milieu, en l’occurrence les agrégats de la brique, permettant de générer du carbonate de calcium qui sert ainsi de liant, mais dont le niveau d’émissions de carbone est proche de zéro. « Ce mécanisme s’apparente à la méthode utilisée par les micro-organismes pour créer des récifs coralliens », explique Krieg Dosier. De plus, les briques de bioMASON sont à peine plus onéreuses que leur équivalent traditionnel, mais respectent mieux l’environnement (le secteur du bâtiment représente 30% des émissions mondiales de CO2).
Il peut sembler étrange qu’une approche visant à copier le fonctionnement de la nature n’arrive que maintenant sur le devant de la scène, mais l’accent mis sur le développement durable à l’échelle mondiale force l’humanité à s’intéresser à tous les types de systèmes efficaces. Et les ingénieurs ne disposent que depuis peu des outils nécessaires à la simulation des procédés naturels.
Qu’est-ce que la nature peut encore enseigner aux concepteurs et aux ingénieurs et que peuvent-ils imiter ? Bien des choses encore, du moment que la collaboration interdisciplinaire continue d’évoluer. Plus les biologistes, les architectes, les ingénieurs en mécanique et les experts en sciences de la matière collaboreront, plus ils engendreront de domaines hybrides tels que le biomimétisme.
Pour Peter Niewiarowski, « quand on emprisonne le biomimétisme dans la conception ou l’ingénierie, comme s’il leur appartenait, on étouffe son potentiel. »