Science des matériaux
Réimaginer l’aéro et la dynamique des fluides à travers l’éponge de verre Venus Flower Basket
Ajouter Securities.io à vos sources préférées sur Google
Les éponges de verre, couramment trouvées dans les profondeurs de l’océan, appartiennent à la classe Hexacitinellida. Elles tirent leur nom de leurs tissus, qui comprennent des particules structurelles semblables à du verre composées de silice.
Le squelette des éponges de verre est un mécanisme évolutif qui les aide à combattre les prédateurs des abysses en s’associant naturellement et organiquement à divers produits chimiques.
Indéniablement sophistiquées, les éponges de verre se maintiennent en s’accrochant à des surfaces dures et en consommant de petites bactéries et du plancton filtrés de l’eau environnante.
Certaines espèces peuvent créer des spicules nettement plus grands qui forment une maison de verre en se fusionnant selon de magnifiques motifs. Ces structures squelettiques amusent souvent les scientifiques car elles restent intactes même après la mort de l’éponge, et plusieurs animaux des profondeurs les utilisent comme habitats !
L’éponge de verre la plus connue
Parmi toutes les éponges de verre vivant en profondeur, le Venus Flower Basket, une espèce d’Euplectella, est particulièrement célèbre. Son squelette a évolué au point d’emprisonner à vie une certaine espèce de crustacés. Ces crustacés se reproduisent, et leurs descendants recherchent de nouveaux corbeilles florales. Typiquement, ces éponges servent souvent de foyers à vie à deux petits Stenopodidea, semblables à des crevettes, un mâle et une femelle.
Cette caractéristique de servir de logement naturel aux créatures des abysses a toujours suscité la curiosité autour de l’éponge de verre Venus Flower Basket. Cette curiosité a maintenant conduit les chercheurs à découvrir une autre caractéristique remarquable de ces animaux : leur capacité à se nourrir par filtration sans pompage.
Contrôle de flux ‘zéro énergie’ naturel par l’éponge Venus Flower Basket
L’une des prouesses étonnantes dont ces animaux anciens sont dotés est leur capacité à se nourrir par filtration sans pompage, en ne comptant que sur le faible courant ambiant des profondeurs océaniques. Mais comment cela est-il possible ? C’est ce que l’équipe de chercheurs de l’Université de Rome Tor Vergata et de la NYU Tandon School of Engineering a étudié. En utilisant des simulations informatiques d’une résolution extrêmement élevée, ils ont analysé la structure squelettique de l’éponge Venus Flower Basket. Les résultats étaient, pour le dire simplement, époustouflants. De plus, cela recèle un potentiel extraordinaire pour de nombreuses applications d’ingénierie.
En expliquant le caractère révolutionnaire de l’expérience, Maurizio Porfiri, professeur à l’Institut NYU Tandon et directeur de son Centre pour la Science Urbaine + Progrès (CUSP), qui a co‑dirigé l’étude et co‑supervisé la recherche, a déclaré :
« Notre recherche tranche un débat qui a émergé ces dernières années : l’éponge Venus Flower Basket pourrait être capable d’absorber les nutriments passivement, sans aucun mécanisme de pompage actif. C’est une adaptation incroyable qui permet à ce filtre vivant de prospérer dans des courants normalement inadaptés à la suspension alimentaire. »
Essentiellement, ces animaux éponges de verre utilisent leur structure squelettique unique pour détourner les courants ultra‑lents des abysses, dirigeant le flux vers le haut dans leur cavité corporelle centrale. Ce mécanisme filtre le plancton et les autres débris marins de l’eau de mer, que les éponges utilisent comme nourriture. La surface extérieure en spirale et nervurée de la structure squelettique de l’éponge fonctionne comme un escalier en spirale, faisant monter l’eau à travers son cadre poreux et en treillis sans besoin d’énergie de pompage.
La qualité la plus remarquable de l’éponge de verre est sa ventilation naturelle, qui fonctionne parfaitement dans la quasi‑immobilité des fonds océaniques profonds. C’est ainsi que ces espèces des abysses ont évolué, s’adaptant à l’environnement hostile et aspirant passivement la nourriture avec un courant extrêmement lent.
Selon Giacomo Falcucci de l’Université Tor Vergata de Rome :
« L’éponge a trouvé une solution élégante pour maximiser l’apport de nutriments tout en fonctionnant entièrement par des mécanismes passifs. »
Atteindre ces découvertes étonnantes n’a pas été facile. Il a fallu plusieurs années aux chercheurs pour mettre en place des installations adéquates capables de comprendre le phénomène dans les moindres détails.
Les installations qui ont permis à la recherche d’atteindre son objectif
Les chercheurs ont utilisé le superordinateur Leonardo chez CINECA, un consortium à but non lucratif hébergeant le plus grand centre de calcul italien et l’un des plus importants au monde.
Ce superordinateur puissant a aidé les chercheurs à développer une réplique 3D réaliste de l’éponge, avec cent milliards de points individuels recréant la structure hélicoïdale complexe de ses crêtes. L’immense puissance de calcul de Leonardo a permis d’effectuer des quadrillions de calculs par seconde, simulant une vaste gamme de vitesses et de conditions d’écoulement de l’eau.
Selon les chercheurs impliqués, les résultats de l’étude pourraient conduire à de nombreuses solutions d’ingénierie innovantes. Ci-dessous, nous résumons quelques-unes de ces idées novatrices.
Le potentiel d’application réelle de la recherche
Le précurseur de cette recherche dont nous parlons est une étude de 2021 menée par la même équipe. Dans cette recherche, l’équipe a examiné spécifiquement comment l’éponge Venus Flower Basket pourrait améliorer les structures artificielles. L’équipe pensait que son étude du rôle de la géométrie de l’éponge dans la réponse aux flux fluides avait de nombreuses implications pour la conception de bâtiments hauts et de structures mécaniques de grande variété, y compris les gratte-ciel, les structures novatrices à faible traînée pour les navires, et même les fuselages d’avion.
Selon Giacomo Falcucci de l’Université Tor Vergata de Rome, l’expérience de 2021 sur l’éponge de verre a aidé à répondre à des questions telles que :
« Y aura-t-il moins de traînée aérodynamique sur les bâtiments hauts construits avec une grille similaire de crêtes et de trous ? Optimisera-t-elle la répartition des forces appliquées ? »
La recherche actuelle, qui approfondit les aspects d’ingénierie biométrique de l’éponge de verre, pourrait aider à concevoir des réacteurs plus efficaces avec des schémas d’écoulement optimisés et une traînée extérieure minimisée.
Suivre les principes d’ingénierie interne des surfaces crêtées et poreuses de l’éponge de verre pourrait augmenter la filtration d’air et les systèmes de ventilation dans les gratte-ciel et autres structures. Les crêtes hélicoïdales asymétriques, par exemple, pourraient inspirer des coques ou des fuselages à faible traînée qui resteront aérodynamiques tout en favorisant la circulation d’air intérieure.
De 2021 à 2024, la recherche sur les éponges Venus Flower Basket a continué, découvrant continuellement comment cette merveille de bio‑ingénierie pourrait inspirer davantage d’applications réelles.
S’appuyer sur la nature comme source d’inspiration pour leurs produits a aidé de nombreuses entreprises à améliorer l’efficacité et à introduire l’optimisation.
#1. Voitures bioniques par Mercedes Benz
En mars 2024, Mercedes Benz, tout en expliquant la philosophie de conception derrière l’un de ses derniers modèles, Vision EQXX, a déclaré :
« En matière de construction légère, la nature reste le meilleur modèle : des poissons‑boîtes aux sterne arctique – de nombreux animaux ont fait évoluer des formes corporelles optimales et d’autres capacités qui leur permettent de parcourir leurs routes migratoires avec une dépense énergétique minimale. L’efficacité maximale était également le principe directeur du programme technologique qui a produit le VISION EQXX – c’est pourquoi certaines parties de la structure du châssis sont basées sur des formes naturelles et des principes de conception bioniques. »
L’entreprise a nommé sa philosophie d’utilisation de matériaux bio‑inspirés le processus Bionicast. Cette approche préconise d’utiliser le matériau uniquement là où les chemins de charge sont nécessaires. En conséquence, les éléments bioniques possèdent une épaisseur de paroi et des ouvertures constamment variables qui ressemblent à un squelette.
L’entreprise estime que la philosophie de conception bio‑inspirée a abouti à un produit très fonctionnel et compact, avec un poids considérablement réduit. Par exemple, les conceptions bioniques sur le plancher arrière de la voiture ont permis d’économiser 15 à 20 % de poids et de matériau. Le support du moteur d’essuie‑glace bénéficie également d’un avantage de poids de 20 %.
La voiture bionique Mercedes‑Benz, reconnue pour son excellente aérodynamique, a fait ses débuts en juin 2005 à Washington, DC. Depuis, elle a continué d’évoluer, maintenant sa pertinence et sa notoriété au sein de la communauté automobile. Le processus de développement innovant BIONICAST a remporté le Material Design + Technology Award 2022 dans la catégorie « Best of Process ». D’ici 2039, grâce aux principes de réduction de consommation de ressources et au potentiel de construction légère du Bionicast, Mercedes Benz vise à atteindre l’objectif global de neutralité carbone sur l’ensemble de sa chaîne de valeur dans sa flotte de nouveaux véhicules.
En 2023, Mercedes Benz a déclaré un chiffre d’affaires de 153,2 milliards d’euros, soit une hausse de 3,2 milliards d’euros par rapport aux 150 milliards d’euros de 2022. L’entreprise a enregistré un EBIT de 19,7 milliards d’euros, et son BPA s’élevait à 13,46 euros.
#2. Biohm
Biohm, une société de recherche et développement multi‑récompensée, croit en la philosophie de « laisser la nature guider l’innovation ». Sa mission est de « harmoniser les systèmes culturels et naturels grâce à la licence responsable de biotechnologies révolutionnaires et évolutives ».
L’une des technologies phares de Biohm exploite la puissance du mycélium – la structure filamenteuse végétative des champignons. L’entreprise utilise cette technologie pour produire des solutions à fort impact et haute performance dans le développement de composants sophistiqués tels que les composites particulaires, les composites renforcés de fibres, les matériaux monolithiques et les matériaux monolithiques de type polymère. Ceux‑ci sont bien adaptés aux secteurs de la construction, des produits de consommation ou de détail, de l’emballage spécialisé, des intérieurs, du mobilier et de la mode.
Grâce à sa technologie « Orb », Biohm transforme certains des flux de déchets à croissance la plus rapide – les déchets alimentaires et agricoles – en produits fonctionnels et à haute performance. Ces produits peuvent être façonnés en feuilles et moulés en formes 3‑D complexes et en produits imprimés en 3‑D.
De plus, Biohm propose un système de construction préfabriqué qui ne nécessite ni liants permanents ni fixations, créant des structures robustes et de haute qualité. Inspiré par la géométrie mathématique des liaisons moléculaires du carbone, ce système peut réduire l’impact environnemental d’un bâtiment, son coût et son temps de construction de 120 %, 70 % et 95 % respectivement.
Dans l’une de ses initiatives de bioremédiation révolutionnaires, Biohm, en collaboration avec Waitrose & Partners et Power To Change, a fait évoluer quatre souches de mycélium capables de consommer les plastiques, dont le polyuréthane (PU), le polyéthylène (PE), le polystyrène (PS) et le polyester (PET). En s’appuyant sur cette technologie centrée sur le mycélium, les plastiques peuvent être décomposés en sucres, hydrocarbures bénins et dioxyde de carbone. Le mycélium consomme les sucres et les hydrocarbures, tandis que le dioxyde de carbone se transforme en oxygène grâce aux organismes photosynthétiques.
Selon les estimations du secteur, la entreprise a réussi à lever un financement de 1,73 million de dollars US à ce jour.
L’avenir de l’aéro et de la dynamique des fluides bio‑inspirés
Réimaginer l’aéro et la dynamique des fluides en s’inspirant de la nature a motivé des chercheurs du monde entier. Au Bio‑Inspired Flight Lab de l’Université de Bristol, dirigé par le Dr Shane Windsor, par exemple, les chercheurs ont étudié une gamme d’aspects de détection et de contrôle du vol animal et comment ils pourraient améliorer les technologies ingénierées, en particulier le fonctionnement des petits véhicules aériens sans pilote (UAV). (MBG.DE )
L’une des plus grandes marques au monde, Lockheed Martin (LMT ), s’est inspirée des scarabées Hércules d’Amérique centrale et du Sud tropicale pour assombrir ou éclaircir organiquement afin de correspondre à la teinte quotidienne changeante de la forêt tropicale environnante. Les chercheurs de Skunk Works estiment que l’imitation de cette propriété pourrait améliorer la fabrication de pièces composites d’avion en développant des capteurs attribuables capables d’alerter les techniciens lorsqu’une structure complexe atteint le niveau d’humidité adéquat pour passer à l’étape suivante du processus de fabrication.
Selon Thomas Koonce, responsable du portefeuille de technologies révolutionnaires de Skunk Works, « Les capteurs de changement de couleur seraient un moyen rapide, peu coûteux et fiable de déterminer si les conditions sont correctes pour la fabrication. » Koonce qualifie cela de « solution à faible coût et à faible main‑d’œuvre ».
Au Glenn Research Center de la NASA dans l’Ohio, les moustaches des phoques de port ont inspiré le chercheur Vikram Shyam à concevoir des pales de turbine à faible traînée pour le projet Advanced Air Transport Technology, qui vise à développer une efficacité énergétique révolutionnaire pour les avions à voilure fixe.
De même, Isaiah Blankson, technologue senior au Glenn Research Center de la NASA dans l’Ohio, s’est inspiré de la précision acrobatique des pingouins nageurs pour développer le programme Low‑Boom Flight Demonstration qui tente de diminuer les bangs soniques grâce à une forme aérodynamique.
S’inspirer de la nature a permis aux humains d’améliorer considérablement leurs solutions d’aéro et de dynamique des fluides. La sagesse de la nature et du règne animal, affinée au cours de centaines de milliers d’années de pratiques évolutives et de tactiques de survie, offre une richesse de connaissances pour de meilleures solutions d’ingénierie qui sont efficaces, à faible coût et durables.
Cliquez ici pour découvrir comment la robotique s’inspire de la nature.
