Les ingénieurs s’inspirent de la nature pour concevoir des solutions de filtration d’eau imprimées en 3D

La nature a toujours inspiré les ingénieurs, les architectes, les chercheurs technologiques et les scientifiques du monde entier. Les oiseaux ont inspiré notre technologie de vol. Les écosystèmes de prairie ont encouragé l’humanité à développer des systèmes agricoles plus durables et efficaces. Les flux en spirale des fleurs ont inspiré des systèmes de mélange d’eau efficaces. Les graines de bur ont inspiré le velcro. La liste continue indéfiniment !

Maintenant, un rapport scientifique est publié dans lequel des ingénieurs du MIT montrent comment la technique d’alimentation filtrante unique des raies mobules et leurs structures spécialisées pourraient inspirer des filtres à eau industriels plus efficaces. 

Avant d’approfondir la découverte, examinons brièvement les raies mobules.

Qu’est-ce que les raies mobules ?

Également appelées raies volantes pour leurs sauts acrobatiques, Les raies mobules sont des créatures dotées de corps grands, plats et en forme de losange et de longues nageoires qui leur permettent de glisser dans l’eau – et aussi dans l’air.  Ces poissons se rassemblent régulièrement pour sauter hors de la mer et se projeter dans l’air, souvent en sautant à environ deux mètres hors de l’eau avant de retomber avec un éclaboussement.

Comme le souligne le Musée d’Histoire Naturelle, les raies mobules se nourrissent par filtration, c’est‑à‑dire qu’elles filtrent le plancton de l’eau à l’aide de leurs bouches, et que leurs bancs se rassemblent souvent en grand nombre. Mais comment pourraient‑elles inspirer la conception de solutions de filtration d’eau imprimées en 3D ? Nous aborderons cela dans le segment suivant.

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Suivre les raies mobules pour la filtration de l’eau

L’appareil de filtration des raies mobules ressemble aux filtres industriels à flux transversal mais fonctionne sous un régime de paramètres différent. Pour combler le fossé entre le flux transversal industriel et la filtration des mobules, les chercheurs ont établi un cadre universel pour le compromis perméabilité–sélectivité dans un canal fuyant.

Les chercheurs affirment avoir démontré avec succès que la géométrie des filtres des mobules a évolué pour atteindre un équilibre permettant la respiration et l’alimentation, et en tirer des principes de conception qui dépassent les régimes de filtration traditionnels. Le résultat est la création de dispositifs de filtration inspirés des mobules. 

Bien que tout cela puisse sembler comme des exercices complexes dans le domaine de la biomimétique, il est plus simple de suivre le mécanisme si nous examinons de plus près les raies mobules un peu plus attentivement. Les raies mobules se nourrissent en nageant la bouche grande ouverte à travers des zones riches en plancton et en filtrant les particules de plancton dans leur goulot alors que l’eau s’écoule dans leurs bouches et ressort par leurs branchies.

Le fond de la bouche de la raie mobule est tapissé de chaque côté de structures parallèles en forme de peigne, appelées plaques, qui siphonnent l’eau vers les branchies de la raie. Ce sont ces plaques qui détiennent la clé de la recherche actuelle dont nous discutons ici.

L’équipe de chercheurs du MIT a démontré que les dimensions de ces plaques peuvent permettre au plancton entrant de rebondir à travers les plaques et d’entrer davantage dans la cavité de la raie plutôt que de sortir par les branchies. De plus, les branchies de la raie mobule peuvent absorber l’oxygène de l’eau sortante pour aider simultanément à respirer tout en se nourrissant.

Selon l’étude de l’auteur Anette « Peko » Hosoi, Professeure Pappalardo de génie mécanique au MIT :

« Nous (les chercheurs) montrons que la raie mobule a fait évoluer la géométrie de ces plaques pour qu’elles soient de la taille parfaite afin d’équilibrer l’alimentation et la respiration. »

Les chercheurs ont conçu un filtre à eau en conformité avec les caractéristiques de filtration du plancton de la raie mobule. Par la suite, ils ont étudié comment l’eau pouvait circuler à travers le filtre lorsqu’il était équipé de structures imprimées en 3D semblables à des plaques. Les résultats obtenus de ces exercices ont été transformés en un plan directeur que les concepteurs peuvent utiliser pour optimiser les filtres industriels à flux transversal, qui sont globalement similaires en configuration à ceux de la raie mobule.

Selon l’auteur principal et postdoctorant du MIT Xinyu Mao :

« Nous voulons élargir l’espace de conception de la filtration à flux transversal traditionnelle avec de nouvelles connaissances provenant de la raie manta. »

En expliquant la nature de cette expansion, le chercheur a déclaré :

« Les gens peuvent choisir un régime de paramètres de la raie mobule afin d’améliorer potentiellement les performances globales du filtre. »

Dans leur propre conception de filtre inspiré de la raie mobule, l’équipe de recherche a créé un filtre simple. Le design, appelé « canal fuyant », ressemble à un tuyau avec des trous le long de ses parois. Pour développer davantage la nature du « canal », il était constitué de deux plaques d’acrylique plates avec un léger écart entre elles, permettant au fluide de circuler à travers. À une extrémité du canal, les chercheurs ont placé des structures imprimées en 3D qui imitaient les plaques rainurées à l’intérieur de la bouche de la raie mobule.

Ils ont testé l’installation en pompant de l’eau à travers le canal à différentes vitesses. Ils ont ajouté un colorant pour visualiser efficacement le flux. Lorsque le débit augmentait, l’eau créait des tourbillons à l’entrée de chaque rainure, empêchant les particules de passer et les poussant à descendre le long des canaux.

Ce que les raies mobules font généralement, c’est nager à la vitesse adéquate pour générer des tourbillons qui capturent même les plus petites particules de plancton, permettant au reste de l’eau de s’écouler par leurs branchies. Cette compréhension devient la clé d’un plan idéal pour optimiser les filtres industriels à flux transversal, offrant des conseils pratiques pour améliorer la conception des filtres.

1. Ford (F )

L’une des marques automobiles les plus respectées au monde – Ford – s’est inspirée des abeilles pour concevoir une étagère de chargement en nid d’abeille, à la fois légère et solide, pour son tout nouveau SUV EcoSport. L’EcoSport de Ford possède un plancher de chargement réglable fabriqué en nid d’abeille de papier 100 % recyclé à haute résistance, aidant les clients de SUV compacts à faire plus avec moins.

Construit à partir de papier entièrement naturel et de colle à base d’eau, le plancher en nid d’abeille de six livres était à la fois écologique et suffisamment solide pour supporter près de 700 livres de charge. Originellement dérivé des abeilles, la technologie biomimétique a d’abord été introduite dans la fabrication de portes domestiques il y a 50 ans. 

En parlant du design inspiré de la nature dans leurs voitures, Mike Maxzzella, ingénieur en chef adjoint du Ford EcoSport, a déclaré :

« Le design hexagonal du nid d’abeille témoigne de l’ingéniosité de la nature. Non seulement il est solide, il est ultra‑léger. Les clients peuvent glisser l’étagère dans plusieurs emplacements différents, comme une grille de four, et même la ranger à l’arrière des sièges. Cela rend l’EcoSport très flexible au quotidien. »

L’étagère de l’EcoSport ne pesait que six livres. Pourtant, elle était conçue pour supporter près de 700 livres sur une surface de 38,5 po sur 25,25 po. En d’autres termes, cette étagère peut contenir d’innombrables combinaisons d’objets lourds, comme cinq sacs de béton (94 lb chacun), quatre gros sacs de terre végétale (40 lb chacun) et huit gallons d’eau individuels (un peu plus de huit livres chacun).

Ford a toujours été une entreprise qui s’est constamment tournée vers les fonctions de la nature pour comprendre comment ses produits pouvaient être améliorés, plus efficaces et robustes. Il y a presque une décennie, en 2015, l’entreprise a commencé à explorer la biomimétique de manière organisée. Elle a annoncé un partenariat de recherche avec Procter and Gamble pour créer des adhésifs novateurs avec l’aide du Biomimicry Institute, une organisation à but non lucratif qui prône l’adoption de solutions inspirées de la nature.

En parlant de l’importance de ces partenariats, Beth Rattner, directrice exécutive du Biomimicry Institute, a déclaré :

« Je pense qu’il est essentiel que quelqu’un comme Ford dise : « Nous mettons nos efforts dans ce domaine non seulement parce que nous pensons que c’est meilleur, plus durable, mais afin que les gens portent davantage attention à l’organisme naturel dans le processus. »

En 2015, l’entreprise a tenté de développer de nouveaux adhésifs en étudiant les coussinets des orteils du gecko Tokay, qui permettent au lézard de courir sur les plafonds et les fenêtres en verre. Ford a vu cela comme une opportunité d’augmenter les taux de recyclage de ses véhicules jusqu’à 10 % car un adhésif inspiré des orteils de gecko pourrait permettre au constructeur automobile de mieux séparer le mélange de plastiques et de mousses laissé après qu’une voiture est dépouillée de ses parties métalliques.

Selon Debbie Mielewski, alors responsable technique senior de la recherche sur les plastiques et la durabilité chez Ford :

« Si nous pouvions le séparer, si nous pouvions identifier différents flux à l’intérieur, nous aurions beaucoup plus de chances de pouvoir les utiliser pour des applications de haute gamme. »

Alors que Ford continue de s’inspirer de la nature, il continue de bien performer financièrement et en termes de revenus. La société a enregistré un chiffre d’affaires de 46,20 milliards de dollars au trimestre se terminant le 30 septembre 2024, avec une croissance de 5,47 %, portant le chiffre d’affaires des douze derniers mois à 182,74 milliards de dollars, en hausse de 4,89 % d’une année sur l’autre. En 2023, Ford Motor Company a réalisé un chiffre d’affaires annuel de 176,19 milliards de dollars avec une croissance de 11,47 %.

2.  The Procter and Gamble Company (PG )

Une autre grande entreprise qui se trouve à l’avant‑garde de l’apprentissage des principes de formulation de produits à partir de la nature est Procter and Gamble. En 2024, Procter and Gamble a formé un partenariat avec Basecamp Research, un cartographe de la biodiversité génétique pour la conception de protéines basée sur l’IA, afin d’accélérer le développement d’enzymes de nettoyage haute performance pour les conditions d’eau froide.

Le partenariat souhaitait s’inspirer d’organismes adaptés aux environnements froids pour concevoir de nouvelles enzymes avec de meilleures performances de lavage à froid en utilisant l’IA. En parlant du but du partenariat et de la valeur que P&G souhaite en tirer, le Dr Philip Souter OBE, directeur principal de la recherche et du développement en blanchisserie chez P&G, a déclaré :

« Nous sommes heureux de nous associer à Basecamp Research dans le cadre de cette initiative, travaillant ensemble pour développer de nouvelles solutions en combinant leur vision unique de la nature et leurs capacités d’IA avec notre vaste maîtrise de l’innovation afin d’offrir une expérience consommateur supérieure. »

P&G avait des plans spécifiques pour exploiter les capacités de Basecamp Research afin de comprendre la biodiversité génétique de millions d’organismes dans les environnements froids et l’utiliser pour augmenter l’efficacité à des températures de lavage plus basses, réduisant ainsi le besoin d’eau chaude — ce qui est meilleur pour l’environnement et les factures de chauffage.

Procter and Gamble a également été inspiré par la recherche de Biomimicry 3.8 qui a tiré des enseignements des serpents et sangsues pour concevoir de meilleurs détergents. Biomimicry 3.8 est la principale société de conseil et de formation professionnelle au monde se concentrant sur la conception et l’innovation positives pour la nature.

Une des recherches de Biomimicry 3.8 a examiné l’amélioration de l’efficacité d’élimination des taches des produits de lessive. En se concentrant sur les schémas profonds du monde biologique, Biomimicry 3.8 a identifié 30 stratégies biologiques uniques avec le potentiel de résoudre le défi épineux d’éliminer les taches de sang des tissus. La recherche a étudié la façon dont les serpents et les sangsues fonctionnent, car ils font partie des nombreux organismes capables de digérer le sang et sont considérés comme l’un des plus redoutables générateurs de taches.

Ces organismes, ainsi que de nombreux autres, ont offert des leçons de conception précieuses pour une solution pouvant limiter l’utilisation du chlore, des eaux usées et de l’énergie lors du détachage. Grâce à cette recherche, le département R&D de P&G a réorienté l’ensemble de ses efforts de recherche. Le scientifique principal Yousef Aouad a déclaré que le travail a fourni à l’équipe un modèle de tache sanguine avec une compréhension conceptuelle des étapes séquentielles pour éliminer les taches de sang.

« Mais surtout, le modèle explique maintenant rétrospectivement : Pourquoi nos enzymes actuelles échouent à accomplir leur tâche sur les taches de sang ? »

– Yousef Aouad

Apprendre de la nature et s’en inspirer constamment a entraîné une croissance toujours plus importante de l’offre de l’entreprise et de la diversité de sa gamme de produits. Le chiffre d’affaires de l’entreprise a connu une croissance régulière de ses ventes nettes. Elle est passée de 71 milliards de dollars en 2020 à 84 milliards de dollars en 2024. Le résultat d’exploitation a également bondi, passant de 15,7 milliards de dollars à 18,5 milliards de dollars.

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L’avenir des conceptions inspirées de la nature

Les entreprises s’intéressent de plus en plus à s’inspirer de la nature, car leurs conceptions sont durables, écologiques, capables d’optimiser les ressources disponibles et suffisamment flexibles pour s’adapter à diverses conditions climatiques. 

L’une des imitations les plus récentes et très populaires de la nature dans la conception et l’ingénierie a été lorsque Mercedes Benz a développé la Bionic Car, s’inspirant de la grande résistance structurelle et de la faible masse du poisson‑coffre. La voiture a été signalée comme réduisant la traînée tout en affichant des niveaux significatifs de rigidité, un poids faible et une consommation de carburant nettement inférieure à celle des voitures traditionnelles. 

Au Japon, la conception des trains à grande vitesse a été inspirée par le martin‑pêcheur. Maîtres du déplacement entre l’air et l’eau avec très peu d’éclaboussures, ces trains ont inspiré le train à grande vitesse Shinkansen design avec un nez en forme de bec long. Le design a considérablement réduit le bruit du train, et a également permis d’utiliser 15 % moins d’électricité, tout en voyageant 10 % plus rapidement qu’auparavant.

Il y a presque deux décennies, un autre groupe de chercheurs du MIT a produit un nouveau matériau capable de capturer et de contrôler de petites quantités d’eau. Le design s’inspirait de coléoptères de la taille d’une pièce de dix centimes. Le matériau combinait une surface superhydrophobe (repoussant l’eau) avec des bosses superhydrophiles (attirant l’eau) qui capturaient les gouttelettes d’eau et contrôlaient le flux d’eau. 

Les applications potentielles du nouveau matériau comprenaient la récolte d’eau, la création d’un laboratoire sur puce (pour le diagnostic et le dépistage ADN), ainsi que la fabrication de dispositifs microfluidiques et de systèmes de refroidissement.

L’histoire de la biomimétique est aussi ancienne que la civilisation humaine elle‑même. Les exemples ne se limitent pas à l’ingénierie mais s’étendent également à l’architecture. En architecture, la biomimétique s’exprime dans la conception de bâtiments plus durables et efficaces, en harmonie avec la nature. Souvent appelées architectures biomimétiques, ces constructions s’inspirent de la nature pour devenir écoénergétiques, bioclimatiques, durables, adaptatives, résilientes et écologiques. 

Cependant, pour rendre la biomimétique plus efficace, les outils doivent devenir plus performants. Selon les concepteurs, bien qu’il n’y ait pas de pénurie d’outils de biomimétique, la plupart aident les concepteurs à générer des concepts et à les mapper du domaine de la biomimétique aux applications potentielles, mais ces outils offrent peu de conseils concrets pour traduire les concepts biologiques en prototypes manufacturables.

Cependant, on a constaté une augmentation notable des investissements dans les technologies qui nous aident à adopter des conceptions basées sur la nature dans nos applications quotidiennes. Selon les estimations, le marché mondial des technologies biomimétiques pourrait passer de 6,8 milliards de dollars en 2017 à 18,5 milliards de dollars en 2028. 

Dans les premiers temps, le but de la technologie et des machines était de simplifier nos vies en automatisant les tâches répétitives et itératives. De nos jours, la technologie doit être orientée vers la durabilité afin d’utiliser les ressources disponibles de manière judicieuse et de laisser le moindre impact possible sur notre planète en termes d’émissions de carbone.

Les conceptions inspirées de la nature pourraient être un excellent moyen de rendre la technologie plus efficace. Cette caractéristique du design inspiré de la nature aiderait à attirer davantage d’attention et d’investissements dans les années à venir.

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