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2017

Biomimétisme : outils pour une démarche écoinnovante en ingénierie

Philippe Terrier, Mathias Glaus et Emmanuel Raufflet

Résumés

Faire en sorte que l’innovation en ingénierie contribue au développement de solutions en harmonie avec la capacité de support de l’environnement, voilà ce que propose le biomimétisme. Après la présentation générale du concept de biomimétisme, l’emphase sera portée sur les méthodes et outils de mise en œuvre concrète de la démarche biomimétique en ingénierie afin de faciliter son implantation dans le processus de génération d’idées et d’innovation. L’ensemble des méthodes proposées constitue une boîte à outils au service de l’écoinnovation. Nous retrouvons dans cette boîte de solutions, les démarches fondées sur la consultation de la base de données AskNature, l’utilisation de cartes de conception, les moteurs de recherche scrutant la littérature biologique ainsi que la méthode Biotriz qui seront présentés dans cet article. Les mises en garde devant accompagner l’opérationnalisation du processus de conception inspirée par la nature ainsi qu’une méthodologie pour la mise en œuvre de l’approche biomimétique en ingénierie seront également présentées.

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Notes de la rédaction

Nous vous invitons à réagir à ce texte en visitant le carnet de recherche de [VertigO] : https://vertigo.hypotheses.org/2269

Texte intégral

Introduction

1Innover a toujours été fondamental en ingénierie. L’entreprise qui innove se démarque, s’approprie habituellement des parts de marché, se développe et croît. Imaginer des solutions à des problèmes d’ingénierie en s’inspirant de la nature, voilà ce que propose la démarche biomimétique. Cet article présente les origines du biomimétisme, les fondements théoriques de cette approche et son application en ingénierie. Plus spécifiquement, le potentiel d’écoinnovation associé au biomimétisme sera présenté et analysé à travers les approches et les méthodes biomimétiques applicables à la genèse de solutions répondant à des problèmes d’ingénierie. Ces méthodes permettant de générer des « écoinnovation » ou des innovations dites de « rupture » (Commissariat général au Développement Durable, 2012) pourraient être appliquées dans le processus de conception d’un produit. La démarche biomimétique se pose donc en alternative aux approches classiques, peu écologiques et faisant largement appel à des ressources non renouvelables. Le biomimétisme constitue un retour à un paradigme délaissé, basé sur l’observation de la nature, laboratoire de recherche et développement établi depuis 3.8 milliards d’années, qui vise à inspirer les innovations humaines (Bar-Cohen, 2006). En effet, l’homme s’est toujours inspiré de la nature, et ce, depuis l’aube du développement des premières civilisations. Cependant, la compréhension du « génie de la nature » n’est possible que depuis quelques siècles, avec le développement de la science et l’accès qu’elle permet à la découverte des principes qui gouvernent le vivant.

Visées de l’article

2Cet article ne se positionne pas comme une revue de la littérature sur le biomimétisme. Il en existe déjà de très exhaustives sur ce sujet (Bar-Cohen, 2006 ; Lepora et al., 2013). Ce n’est donc pas sur l’histoire de la démarche biomimétique et ses multiples cas d’application que l’emphase sera mise. Cette recension est basée sur une sélection d’articles consacrés principalement à l’utilisation du biomimétisme comme source d’inspiration et comme approche pour la conception de solutions innovantes en ingénierie. Les méthodes traditionnelles de génération d’idées innovantes seront également présentées afin d’évaluer comment le biomimétisme s’inscrit au sein de ce groupe d’outils maintenant accessibles à l’ingénieur.

Construction de l’échantillon d’analyse : méthodologie de sélection des articles

3En conformité avec les visées de cet article, nous avons sélectionné des articles et documents puis construit un échantillon selon les critères suivants. Les articles ont été retenus en raison de leur pertinence dans l’application du biomimétisme en ingénierie principalement au niveau du processus d’écoinnovation. La recherche dans les bases de données d’articles ou de documents a été menée avec les mots clé suivants en français et en anglais : Biomimétisme (Biomimicry) et innovation, Biomimicry and TRIZ, Biomimicry and ASIT, Biomimicry and Design, Biomimicry and CK Method, Biomimétisme et analyse de cycle de vie, Biomimétisme et développement durable. Pour être retenus, les articles devaient aborder les problématiques d’écoconception ou d’innovation en utilisant des méthodes telles que le biomimétisme. Les articles sélectionnés touchent les champs du design, de l’ingénierie, de l’innovation, de l’évaluation du développement durable, de l’analyse de cycle de vie ainsi que des propositions de démarches élaborées par le Biomimicry institut pour opérationnaliser le biomimétisme dans un processus de conception (Biomicry-Institut, 2012b). La base de données AskNature dédiée au biomimétisme a également été consultée afin d’en évaluer le contenu et de définir à quelle étape du processus de conception il était le plus opportun d’y faire appel.

4Plusieurs journaux traitant de biomimétisme le font principalement sous l’angle de l’application dans les domaines des matériaux, de la robotique (bionique) ou du biomédical. L’article de Lepora (Lepora et al., 2013) présente une liste des principaux journaux publiant des travaux sur ces sujets. Peu de journaux présentent des travaux relatifs à l’application plus généraliste de la démarche biomimétique ou à la séquence à suivre pour opérationnaliser le biomimétisme durant le processus de design. Cependant, les journaux Bioinspiration & Biomimetics (Bar-Cohen, 2006), Journal of the Royal Society Interface (Vincent, Bogatyreva, Bogatyrev et al., 2006) et the Journal of Cleaner Production (De Pauw, Karana, Kandachar et al., 2014) ont tous trois présenté des articles portant sur l’application du biomimétisme dans le processus de conception ou d’ingénierie. Cependant, le présent article établit une synthèse et une analyse comparative des diverses approches. Afin d’augmenter et de diversifier les sources d’informations, le présent article est également basé sur des rapports d’agences gouvernementales (Durand, 2012), des mémoires ou des thèses (Dubé, 2012), des comptes rendus de conférences (Fish, 2009) et des sites internet incontournables (Biomicry-Institut, 2015) portant sur l’utilisation et le potentiel de l’approche biomimétique.

Origine et caractéristiques du biomimétisme

5Le biomimétisme peut être vu comme une approche de conception pour des solutions technologiques durables et innovantes. Étymologiquement, le terme biomimétisme provient du grec « bios » qui signifie « vie » et « mimesis » voulant dire imitation. Ce terme a été élaboré par Otto Herbert Arnold Schmitt en 1969(Vincent et al., 2006) et visait à décrire un mode d’exploration du vivant afin d’y trouver des solutions aux nombreux problèmes auxquels notre civilisation fait face. Initialement appliqué au domaine biomédical, le biomimétisme peut également permettre de générer des solutions innovantes en ingénierie que ce soit dans le domaine des matériaux, des biocapteurs ou encore de l’intelligence artificielle (Bar-Cohen, 2005).

6Les principales approches lors de la mise en œuvre d’une démarche biomimétique sont scindées en catégories nommées la bio-assistance, la bio-inspiration et l’écomimetisme ou la bionique (Durand, 2012). La dénomination utilisée à souvent suscité des discussions et, dans le but de définir une base commune et une cohérence de la terminologie biomimétique, la norme ISO 18458 « Biomimétique - terminologie, concepts et méthodologie » (ISO, 2015) précise plusieurs concepts dont les principaux sont décrits dans le tableau 1.

Tableau 1. Principales approches en opérationnalisation du biomimétisme / Main approaches in operationalization of biomimicry.

Nom de l’approche

Mode de mise en œuvre

Définition d’après ISO 18458

Objectif

Champs d’application

Bio-inspiration

S’inspirer du monde du vivant

Approche créative basée sur l’observation des systèmes biologiques

Créer de nouveaux objets ou procédés

Design, architecture et matériaux

Bio-assistance ou biotechnologie

Utiliser des organismes vivants ou des molécules d’origine biologique

Biotechnogie : Application de principes scientifiques et techniques pour convertir des substances à l’aide d’agents biologiques

fournir des biens et des services

Agro-écologie, enzymes catalytiques, industrie chimique

Éco-mimetisme

Étudier le fonctionnement des écosystèmes

Terme non défini spécifiquement

Reproduire les conditions et avantages des écosystèmes

Urbanisme, ingénierie

Bionique

S’inspirer du monde du vivant

Discipline technique qui cherche à reproduire, améliorer ou remplacer des fonctions biologiques par leurs équivalents électroniques et/ou mécaniques

Développer des systèmes non biologiques technologiquement applicables en ingénierie

Robotique, biomécanique, capteurs bio-inspirés

Source : Définition des concepts selon ISO 18458 :2015 / Definition of concepts according to ISO 18458 : 2015

7D’une manière générale, les processus développés par la nature sont résilients, à l’épreuve du temps, alimentés par des matériaux naturels et renouvelables. Dans bien des cas, et très fréquemment pour ce qui concerne les espèces vivant à la surface de la Terre, les matériaux et les transformations sont réalisés à faible pression et faible température (Durand, 2012). Les processus ne génèrent pas de rejets qui leur soient toxiques. De plus, les matériaux et processus du vivant respectent la capacité de support des écosystèmes. Enfin, les écosystèmes vivant en relation les uns avec les autres forment une boucle fermée sur leur cycle de vie global. Les éléments d’un écosystème sont donc interconnectés et dépendants les uns des autres. Afin de compléter les approches biomimétiques présentées ci-dessus, il existe également une classification des niveaux d’application du biomimétisme qui vont être présentés dans la section suivante.

Les niveaux d’application du biomimétisme

8Dubé (2012) explicitent les trois principaux niveaux auxquels s’opère l’approche biomimétique soit la forme, le processus et le système. Le niveau correspondant à l’imitation des systèmes ou des écosystèmes est le plus avancé et le plus complet, mais également le plus exigeant à implanter. Le tableau 2 dresse une présentation sommaire des niveaux d’application du biomimétisme.

Tableau 2. Les niveaux d’application du biomimétisme / Levels of application of biomimicry.

Niveaux de biomimétisme

Description

Exemple

le biomimétisme de forme ou de surface

S’inspirer et imiter les formes retrouvées dans la nature.

Conception du « nez aérodynamique » du train haute vitesse japonais Shinkansen inspiré de la forme du bec du martin-pêcheur.

le biomimétisme de processus ou de fonction

Observer comment la nature fait pour « réaliser une fonction » afin de l’imiter.

La climatisation naturelle des termitières a inspiré l’architecte Mike Pearce concepteur de l’immeuble à bureaux Eastgate à Harare au Zimbabwe qui utilise le même processus de circulation ascendante naturelle de l’air.

le biomimétisme écosystémique

Imiter les systèmes de la nature, leurs interrelations et la coopération entre eux.

Création de parcs industriels visant la « symbiose ou l’écologie industrielle ». La Ville de Kalundborg au Danemark et son parc industriel bâti au début des années 1990, sans être le premier exemple de symbiose industrielle, en est tout de même une parfaite illustration. La coopération, le recyclage et l’échange de flux de matière ou d’énergie ont permis aux entreprises basées sur le parc industriel de minimiser leur impact environnemental en améliorant leur productivité.

9Pour tous les niveaux de mise en œuvre du biomimétisme, il existe des stratégies fréquemment observées dans la nature et qui sont à la base de la persistance des écosystèmes. Ces stratégies sont à considérer lors de l‘application de la démarche biomimétique dans le processus d’ingénierie et nous allons les présenter dans la section suivante afin d’inspirer les designers et ingénieurs.

Les dix stratégies de la nature pour assurer la survie des écosystèmes

10Dans son livre consacré au biomimétisme, Janine Benyus (2011) présente 10 stratégies tirées de l’observation du processus de sélection naturelle et adoptées par tous les écosystèmes naturels. Ces stratégies sont passées à travers l’épreuve du temps et ont donc fait leur preuve au cours de l’évolution du vivant depuis plusieurs millions d’années. Ces stratégies se résument en « 10 commandements » qui pourraient être appliqués en ingénierie, en design et d’une manière générale dans le monde de l’industrie :

  1. Utiliser les déchets comme ressource. C’est un principe mis en œuvre en écologie industrielle. Cela permet aux extrants d’une entreprise de devenir les intrants d’une autre et de fonctionner en circuit presque fermé.

  2. Se diversifier et coopérer. En ajoutant des « artères au système » comme le précise Benyus, cela permet d’augmenter la résilience ou l’efficacité d’une entreprise. Par exemple, la collaboration entre entreprises pour assurer le recyclage en fin de vie de leurs produits est un exemple de coopération plutôt que de compétition.

  3. Capter et utiliser l’énergie avec efficacité. L’augmentation du prix de l’énergie et les impacts environnementaux liés à son utilisation, spécifiquement en ce qui concerne les énergies fossiles, incitent au développement de produits ou services plus efficaces et efficients. L’application de ce principe est un enjeu fréquemment rencontré en ingénierie et en conception de produits.

  4. Optimiser plutôt que de maximiser. Ce principe incite à privilégier la qualité des produits plutôt que la quantité. Les impacts environnementaux sur l’ensemble du cycle de vie seront ainsi réduits.

  5. Utiliser les matériaux avec parcimonie. Cette stratégie est un principe de base retrouvé en écoconception qui va également minimiser l’impact environnemental.

  6. Ne pas souiller son nid. En industrie, cela se traduit par la mise en place d’un plan de prévention de la pollution ainsi qu’en évitant d’utiliser des produits chimiques générant des polluants persistants dans l’environnement.

  7. Ne pas épuiser les ressources. Ce principe peut être mis en application en exploitant principalement des ressources renouvelables ou en prélevant les ressources non renouvelables à un taux inférieur à celui du développement de solutions de substitution.

  8. Maintenir un équilibre avec la biosphère. Ce principe est au cœur de la persistance des écosystèmes au sein desquels les espèces vivantes ne prélèvent et ne rejettent que dans la limite du maintien des conditions de vie. Il est impératif de respecter la capacité de support de l’environnement en ne rejetant pas plus que ce qui peut être accepté par ce dernier, avant que des conséquences néfastes pour les écosystèmes n’apparaissent.

  9. S’informer. Connaître l’impact environnemental des produits et services ou la performance environnementale de l’entreprise permettra de poser des gestes plus appropriés pour réduire les dommages, que ce soit en appliquant une démarche d’écoconception ou dans la gestion quotidienne de l’entreprise par la mise en place d’un système de gestion environnemental de type ISO 14001.

  10. S’approvisionner localement. En industrie, cette stratégie permet bien évidemment de limiter les impacts du transport, mais également de soutenir l’économie locale.

11Malgré ces forces, le processus de conception biomimétique doit être complété par une analyse de cycle de vie, ainsi que par des considérations économiques et des critères éthiques, sociaux et moraux afin de s’assurer de la durabilité de la démarche (Durand, 2012).

12Au plan économique, les principes de biomimétisme se retrouvent dans l’économie circulaire qui préconise un bouclage des flux d’énergie et de matière comme cela est généralement réalisé au sein des écosystèmes matures et durables (Ricard, 2015). De plus, le biomimétisme se veut un « art d’extraire la connaissance de la nature » et cette approche se positionne naturellement dans l’économie de la connaissance qui est appelée à gagner en importance. (Ricard, 2015)

13Cependant, il ne s’agit pas d’appliquer le biomimétisme de façon dogmatique, mais plutôt d’exploiter le potentiel d’inspiration que peut offrir cette approche en considérant le fait que les sociétés humaines doivent évoluer sur des horizons temporels plus courts que ceux régissant l’évolution des écosystèmes.

Domaines et exemples d’application du biomimétisme

14Publié par le Commissariat général au Développement Durable en France (Durand, 2012), les travaux de Durant ont mis en évidence de nombreuses pistes d’application du biomimétisme dans la transition vers une économie verte. De plus, le livre de Benyus (2011) et l’article de Bar-Cohen (2006) exposent plusieurs exemples d’application du biomimétisme en ingénierie et également les domaines où le développement de solutions biomimétiques est le plus actif. Dans le but d’exposer une partie de ce vaste champ de possibilités, le tableau 3 présente de manière non exhaustive quelques domaines de l’ingénierie où le biomimétisme peut s’appliquer.

Tableau 3. Quelques domaines d’application du biomimétisme / Some fields of application of biomimicry.

Domaines d’application

Exemples et illustration

Matériaux bio-inspirés

Matériaux aux propriétés hydrodynamiques similaires à la peau de requin (Bhushan, 2009) ou encore matériaux auto nettoyants et hydrophobes comme la feuille de lotus (Bhushan, 2009)

Aérodynamisme appliqué au transport

Le train Shinkansen développé par la West Japan Railway Company possède un « nez » inspiré du martin-pêcheur (Bhushan, 2009). Cette innovation permet la diminution des frottements aérodynamiques, la réduction du bruit lors du passage dans les tunnels et entraîne une baisse de 15 % de la consommation énergétique. La forme de la Bionic Car est inspirée du poisson-coffre (Mercedes-Benz, 2014).

Énergie éolienne

L’entreprise Whale Power (2015) développe des pales d’éoliennes inspirées des tubercules présentes sur les nageoires de baleines. Cette conception limiterait la traînée aérodynamique et le bruit tout en augmentant le rendement (Quinn et Gaughran, 2010).

Photosynthèse artificielle

Inspirée de la photosynthèse de plantes, les cellules photosensibles développées par Sun Catalytix (Ojo et Thomas, 2011) sont munies de catalyseurs électrolysant l’eau en hydrogène et oxygène lors de l’exposition au rayonnement solaire.

Énergie hydrolienne

L’entreprise BioPower Systems (BioPowerSystems, 2015) a développé des hydroliennes imitant l’oscillation de la queue des poissons ou encore inspirées de la forme des algues sous-marines. Ceci constitue une approche bioinspirée pour capter l’énergie cinétique de l’eau et la transformer en électricité.

Sécurité appliquée au transport

Le véhicule Eporo développé par Nissan automobile est équipé d’un système de déplacement anticollision inspiré des bancs de poissons où des centaines d’individus se déplacent sans heurts (Ramirez, 2012). Cette conception biomimétique permettrait à de petits véhicules automatisés de rouler plus proches et plus rapidement tout en diminuant les accidents et la congestion.

Agriculture

L’écomimétisme permettra la création d’écosystèmes agricoles plus durables avec la mise en œuvre de pratiques telles que les cultures associées, la polyculture associée à l’élevage animal, la réduction du labour ou encore la conservation du couvert végétal et des haies vives constituant l’habitat de nombreux insectes protecteurs des cultures (Durand, 2012).

Organisation des processus industriels

L’écologie industrielle (Benyus, 2011) est un exemple de biomimétisme ou le fonctionnement d’un écosystème avec ses interactions et ses cycles « fermés » est appliqué aux relations entre des entreprises géographiquement proches.

Contribution du biomimétisme à la conception et à l’écoinnovation en ingénierie

15L’élaboration de solutions innovantes en ingénierie peut être réalisée en utilisant plusieurs méthodes reconnues. Parmi les voies à explorer, l’une d’entre elles est le biomimétisme. Bien que le biomimétisme ne soit pas une solution nouvelle pour transférer des idées inspirées de la nature vers l’ingénierie, la démarche actuelle en biomimétisme demeure encore empirique et manque de principes opérationnels clairement formalisés (Vincent et al., 2006).

16Le processus complet partant de la génération des idées et allant jusqu’à la création de produits biomimétiques requiert encore aujourd’hui une description plus détaillée. Dès 2013, l’association française de normalisation avait précisé le besoin de séparer le « champ de la terminologie de celui de la méthode biomimétique » dans le cadre de l’élaboration d’une norme ISO (Ricard, 2015). La norme ISO 18458 « Biomimétique - terminologie, concepts et méthodologie », publiée en mai 2015 propose un cadre pour la terminologie en biomimétisme dans le domaine de la science, de l’industrie et de l’enseignement (ISO, 2015).

17Le biomimétisme s’inscrit donc comme approche pour innover et concevoir de manière à diminuer l’impact sur l’environnement. Bien sûr, cette approche n’est pas la seule dans le domaine de la conception innovante (institut-Inspire, 2012) et nous allons en présenter quelques autres qui s’inscrivent dans la même optique.

Théorie TRIZ

18La théorie TRIZ développée par Guenrich Altshuller (Vincent et al., 2006) (acronyme russe de la théorie de résolution de problèmes innovants : Teorija Reshenija Izobretateliskih Zadatc) est basée sur 39 paramètres de conception et 40 principes reconnus comme communs aux principales innovations. Les fondateurs de TRIZ sont partis du postulat que la majorité des innovations en ingénierie reposait sur un nombre restreint de principes de conception. TRIZ est donc né de l’étude de plusieurs centaines de milliers de brevets et de l’agrégation de nombreuses données et connaissances dans de larges champs de la connaissance tels que l’ingénierie, la chimie, la physique et les mathématiques (Glier et al., 2011). Lors de l’utilisation de TRIZ, les concepteurs définissent leur problème de conception comme une contradiction entre différentes exigences qui nécessitera l’optimisation d’un des 39 paramètres de conception proposés par la méthode au détriment des autres exigences. La matrice de contradiction développée dans TRIZ permettra de découvrir quels principes innovants parmi les 40 proposés ont été mis de l’avant pour résoudre le problème rencontré lors des conceptions antérieures.

19Les solutions obtenues avec la théorie TRIZ, aussi innovantes soient-elles, ne répondent pas nécessairement aux principes de protection de l’environnement ! Par ailleurs, TRIZ est une théorie lourde et complexe à opérationnaliser.

Méthode BioTRIZ

20BioTRIZ est une fusion entre le biomimétisme et la méthode d’innovation TRIZ (Glier et al., 2011). BioTRIZ est développée à l’université de Bath, en Angleterre par Nikolay et Olga Bogatyrev, biologistes russes, ainsi que par le professeur Julian Vincent. Cette méthode s’inscrit comme outil d’écoinnovation (Chen et Yang, 2011). BioTRIZ est basée sur l’analyse de 500 phénomènes biologiques et 270 fonctions offertes par la nature. La méthode BioTRIZ est structurée de façon similaire à TRIZ avec une matrice de contradiction fondée sur seulement 6 grands principes : Substance, structure, espace, temps, énergie et information, ce qui rend la méthode plus facile d’utilisation. BioTRIZ constitue donc une approche intéressante pour implanter des concepts biomimétiques dans la conception de produits (Glier et al., 2011).

Méthode ASIT

21ASIT, pour Advanced Systematic Inventive Thinking (Horowitz, 2001), est une méthode simplifiée inspirée de la théorie TRIZ. L’objectif de la méthode ASIT vise à générer de nouvelles solutions ou le principal facteur du problème, qui est directement lié à l’intensité de l’effet indésirable, sera annulé ou inversé. Un des postulats de ASIT est que les solutions simples sont les plus efficaces. ASIT est fondé sur (1) une condition, (2) un principe et (3) cinq outils (Reich, Hatchuel, Shai et al., 2012). (1) La condition est définie par un monde clos. C’est-à-dire pas de nouveau type de composant dans le monde du problème et de la solution. Il faut faire avec ce que l’on a ! Ce point est source de critiques. (2) Le principe est articulé autour du changement qualitatif. Cela revient à chercher des solutions dans lesquelles l’effet du principal facteur du problème est soit éliminé, soit inversé. (3) Les 40 principes TRIZ ont été regroupés en cinq outils, cœur de la méthode ASIT et dont voici une présentation succincte :

  1. Unification : utiliser les objets présents pour résoudre le problème

  2. Multiplication : utiliser des objets du même type que les objets présents

  3. Division : segmenter les processus et objets présents

  4. Rupture de symétrie : casser les constances dans le temps, l’espace et les groupes

  5. Suppression : enlever des objets superflus

Méthode EcoASIT

22EcoASIT vise à générer des écoinnovations (Tyl et al., 2011) lors des processus de conception. EcoASIT intègre notamment la pensée cycle de vie. Le processus EcoASIT comporte trois phases principales qui sont :

23(1) la définition des frontières du système et son positionnement dans le temps et dans son environnement. (2) la définition de l’objectif à atteindre, intégrant les trois axes du développement durable. La réalisation de cette étape est basée sur l’analyse de cinq critères permettant d’évaluer le niveau de durabilité du système actuel : consommation de ressources naturelles (eau, énergie, matière), génération de déchets/pollutions, niveau d’intégration dans l’environnemental local, perception de la durabilité du système, adaptation du système aux usages. (3) La génération d’idées et de solutions en conformité avec les enjeux d’écoinnovation.

24EcoASIT peut intervenir en aval d’une analyse de cycle de vie (ACV) qui aurait permis de générer des données relatives aux impacts environnementaux. Avec ces données comme point de départ, la méthode de créativité EcoASIT facilite la génération d’idées innovantes intégrant les principes de développement durable.

Méthode C-K

25La méthode C-K (Hatchuel et Weil, 2003) se présente également comme une méthode innovante de conception ou de résolution de problèmes par la mise en relation de concepts (C) et de connaissances (K) pour générer des directions de conception novatrices et inattendues. La méthode C-K formalise un processus de conception comme une forme spécifique de raisonnement qui permettra de faire naître un concept encore inconnu basé sur des connaissances connues. Le langage permet d’exprimer l’idée conçue et peut être utilisé à divers niveaux allant d’une formalisation mathématique à une simple taxonomie (Reich et al., 2012).

26Toutes les méthodes ou théories présentées (TRIZ, BioTRIZ, ASIT, ECOASIT, C-K) sont utilisables en conception innovante (par opposition à la conception réglée) afin de générer des innovations dites « de rupture » avec les approches actuelles. Le biomimétisme s’inscrit dans cette vision et peut aussi être utilisé comme source d’inspiration pour répondre aux attentes des éco concepteurs. L’approche biomimétique peut être conduite seule ou combinée à une méthode plus structurée comme le fait BioTRIZ (Glier et al., 2011). Une autre avenue consiste à étudier le processus de génération de concepts innovants et bio-inspirés à l’aide de cadre théorique mieux établis comme celui de la méthode C-K (Salgueiredo, 2013). Par exemple, le projet de recherche piloté par le constructeur automobile Renault pour la génération de concepts de véhicules décarbonés vise dans un premier temps à mieux structurer l’utilisation de l’outil « biomimétisme » plutôt que de l’utiliser dans son approche actuelle (Salgueiredo, 2013).

Opérationnaliser une démarche biomimétique

27Deux approches sont possibles pour implanter une démarche de biomimétisme. Tout d’abord, l’approche « top-down » qui est menée par le problème d’ingénierie et qui va explorer le monde de la biologie pour y trouver des solutions. L’approche « bottom-up », menée par les découvertes dans le domaine biologique, tente pour sa part d’y associer les défis rencontrés en ingénierie (Salgueiredo, 2013). Les deux approches demeurent cependant assez générales et peu de détails sont disponibles quant à leurs mises en œuvre.

Les outils pour implanter la démarche biomimétique

28Il existe plusieurs méthodes ou outils visant à rendre opérationnelle la démarche de conception biomimétique (Salgueiredo, 2013). Ainsi les designers et ingénieurs peuvent suivre une des approches décrites ci-dessous.

  1. S’entourer de biologistes afin qu’ils puissent guider les ingénieurs vers la découverte de solutions basées sur les réponses de la nature à leurs défis de conception. Le Biomimicry institut a lancé l’initiative Biologists at the Design Table (BaDT) afin que les équipes de conceptions deviennent multidisciplinaires et intègrent le biomimétisme grâce au concours de biologistes (Volstad et Boks, 2012).

  2. Consulter la base de données AskNature (Biomicry-Institut, 2015) élaborée et mise à jour par le Biomimicry Institut et qui permet de découvrir comment la nature réalise certaines fonctions. Des centaines de produits biomimétiques sont présentés ainsi que des milliers de fonctions réalisées par la nature. AskNature permet de trouver des informations répondant aux questions telles que : « comment la nature fait pour transporter, fixer, réguler, nettoyer ? » La base de données AskNature expose en ligne plus de 1500 stratégies de la nature. Chaque fiche de produit ou de service présenté dans AskNature décrit la solution technologique et l’organisme vivant concerné ayant apporté l’inspiration. Cette ressource accessible gratuitement constitue donc un bon point de départ pour découvrir de nouveaux horizons de conception et d’innovation.

  3. Utiliser l’assistant pour une conception biomimétique DANE 2.0 - Design by Analogy to Nature Engine (Salgueiredo, 2013) développé par le Design Intelligence Laboratory de Georgia Institute of Technology (Design Intelligence Laboratory - Georgia Institute of Technology, 2015). Cet outil qui se présente sous la forme d’une base de données vise à simplifier la conception biomimétique de produits en facilitant les analogies entre biologie et ingénierie.

  4. Rechercher des mots clés en biologie correspondant aux problèmes de conception rencontrés en ingénierie. Les développeurs de cette approche (Shu et Cheong, 2014) fondent leur travail sur le fait que les bases de données permettant de préciser les analogies entre biologie et ingénierie ne seront jamais suffisamment exhaustives pour couvrir toutes les fonctions de la nature potentiellement transférables en ingénierie. Ainsi, une méthode permettant d’identifier les analogies potentielles entre biologie et ingénierie, et ce, directement dans la littérature spécifique (livres, articles, …) et avec le langage « naturel » du biologiste a été développée. Cette approche est basée sur un outil de recherche informatique qui va localiser dans les banques de connaissances en biologie les mots clés du domaine du vivant associés aux mots clés du problème d’ingénierie qui ont été saisis dans le moteur de recherche. Les références trouvées sont alors proposées par l’outil de recherche.

  5. Utiliser la méthode Biotriz déjà présentée plus haut constitue également une approche possible.

  6. Faire appel aux fiches sur le biomimétisme (Volstad et Boks, 2012). Cet outil principalement destiné aux designers débutant avec la mise en œuvre du biomimétisme est constitué d’une série de fiches présentant divers aspects du biomimétisme. Les fiches peuvent être utilisées plus particulièrement durant la phase de génération d’idées. Chaque fiche de la série qui en contient un total de 40, traite d’un aspect particulier de la conception (design de meubles, d’équipements de sports, …) ou encore d’une fonction de design (assemblage, structures pliables, …). Un des objectifs visés par les concepteurs de cette solution basée sur des fiches est de faciliter l’accès et l’utilisation de l’information sur le biomimétisme dans le processus de design.

Comment mener une démarche en biomimétisme ?

29Cette section présente de manière plus détaillée l’approche biomimétique développée par le Biomimicry institut. Plusieurs approches sont possibles pour conduire une démarche de conception bio-inspirée par la nature (Salgueiredo, 2013), mais toutes ne peuvent être détaillées dans cet article. Pour mener une démarche de conception biomimétique il est possible de s’inspirer de la séquence de conception biomimétique proposée par le Biomimicry institut (2010) dont les principales étapes sont exposées ci-dessous.

30Ainsi, il faudra tout d’abord identifier clairement le problème et tenter de transposer la problématique au domaine naturel. Par la suite, une observation des fonctions de la nature, afin d’y découvrir de potentiels modèles naturels, est requise. Un résumé des principes naturels de base des modèles vivants découverts sera nécessaire pour en faciliter la compréhension et la transposition en ingénierie. Ces deux premières étapes d’observation, de découverte et de formalisation des fonctions de la nature peuvent être réalisées en consultant la base de données AskNature ou la taxonomie du biomimétisme (Biomicry-Institut, 2012a), outils élaborés par le biomimicry institut et qui présentent des produits, des concepts biomimétiques ou encore des réalisations et des fonctions observées sur des modèles naturels. Une activité remue-méninges relative aux applications des principes naturels observés dans la base AskNature peut être organisée. Une fois les principes naturels repérés, compris et sélectionnés, l’étape suivante consiste à s’approprier la solution en mettant les principes en application, en simulant ou testant les stratégies de la nature sur un prototype. Enfin, le prototype conçu et testé devra être confronté aux « principes de vie » proposés par le biomimicry Institut (2012b) qui exposent les stratégies utilisées par les espèces vivantes pour vivre et se développer sur Terre. Ainsi, les espèces vivantes qui évoluent pour survivre, sont adaptées et agissent localement avec responsabilité, sont efficientes au plan énergétique, assurent une « gestion durable » des ressources et des déchets, utilisent une chimie à base d’eau, sont résilientes et adaptées aux conditions évolutives.

31Si la solution est conforme aux « principes de vie », elle pourrait être retenue pour la conception finale. Avant de valider définitivement le choix, il est également recommandé d’évaluer plus finement les impacts environnementaux de la solution en ayant recours à une analyse de cycle de vie complète ou au moins partielle. À l’issue de cette étape, le problème d’ingénierie initial devrait donc être au moins partiellement résolu par l’approche biomimétique suivie. Cependant, les impacts socio-économiques mériteraient également d’être analysés afin de s’assurer de la pertinence de la solution et de sa conformité avec les trois axes du développement durable. En effet, une solution bio-inspirée n’est nullement garante de performance sociale, morale, éthique ou économique, … . Ces valeurs propres à la société humaine ne sont pas souvent présentes dans la nature.

32L’analyse sociale et économique peut être faite avec différents outils comme des grilles qualitatives d’analyse de la durabilité des projets. Ainsi, le concepteur du produit pourrait utiliser la grille RST 02 (Boutefeu, 2006) ou encore la grille d’analyse pour le développement durable de l’Université du Québec à Chicoutimi (Villeneuve et al., 2009) afin évaluer sommairement la performance économique et sociale de la solution. Ces outils, simples d’utilisation sont constitués d’une série de questions et de critères d’évaluation portant sur les trois sphères du développement durable.

Conclusion

33L’objectif principal de cet article visait à présenter une synthèse de l’approche de conception basée sur le biomimétisme, approche inspirée du plus vieux laboratoire de recherche et développement du monde…. la Nature et ses 3,8 milliards d’années d’évolution !

34Il existe une panoplie d’outils ou de méthodes pour opérationnaliser la démarche biomimétique, que ce soit l’utilisation d’une base de données telle que AskNature, l’utilisation de cartes, les moteurs de recherche scrutant la littérature biologique ou encore la méthode Biotriz…. Le biomimétisme offre certainement des pistes de réflexion et des modèles inspirants à suivre. Cependant, le biomimétisme ne doit jamais s’ériger en dogme, mais plutôt se présenter comme un outil complémentaire à ceux déjà disponibles pour innover et viser une réduction des impacts environnementaux négatifs des produits et processus…Le biomimétisme se présente comme l’une des boîtes à outils de la prochaine révolution industrielle tel que l'expose Durand (2012).

35Le biomimétisme est encore en attente d’une méthodologie plus clairement structurée pour en faciliter la diffusion en ingénierie. Cependant, si l’approche biomimétique est combinée à d’autres méthodes de conception innovante, cette lacune peut être atténuée. Toute formalisation apportée à la méthodologie biomimétique devrait viser à encadrer cette approche inspirante sans nécessairement vouloir en normaliser complètement la démarche.

36Malgré les faiblesses dues à la jeunesse de son existence, le biomimétisme offre aux ingénieurs, s’ils acceptent de délaisser un peu leur approche traditionnelle de conception pour aller chercher ailleurs l’inspiration, un vaste champ de possibilités. Inévitablement, l’approche biomimétique proposera ses propres principes pour l’écoinnovation, mais elle devra également s’adapter aux besoins des utilisateurs pour survivre parmi les nombreuses méthodes de conception innovante déjà implantées. La démarche biomimétique demeurera multidisciplinaire et impliquera l’ouverture d’esprit et le dialogue entre ingénieurs et biologistes. Les problèmes auxquels l’humanité fait face aujourd’hui sont complexes, mais surtout beaucoup plus multidimensionnels qu’ils ne l’étaient dans le passé. L’approche biomimétique offre dès lors une perspective intéressante pour inspirer les ingénieurs dans leurs recherches de solutions.

Pistes à suivre pour continuer d’élaborer la démarche en biomimétisme

37La démarche biomimétique, comme d’autres approches en écoinnovation, couvre principalement la sphère environnementale. Or, la nature a souvent peu d’égards pour certaines considérations parfois importantes dans les décisions humaines. Afin de s’inscrire dans une optique de développement durable et proposer des solutions également conformes aux attentes sociales, éthiques et économiques, la démarche biomimétique devrait être complétée par la prise en considération de critères complémentaires (sociaux, économiques, …) au-delà du champ environnemental seul.

38De plus, l’approche biomimétique peut également être renforcée par l’utilisation de l’analyse environnementale de cycle de vie durant le processus de conception afin d’évaluer plus finement et de quantifier les impacts et dommages environnementaux des solutions développées. L’analyse sociale de cycle de vie, lorsqu’elle sera rendue à maturité pourrait également se présenter comme un outil complémentaire à la démarche biomimétique afin que l’écoinnovation conduise vers un développement soutenable.

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Pour citer cet article

Référence électronique

Philippe Terrier, Mathias Glaus et Emmanuel Raufflet, « Biomimétisme : outils pour une démarche écoinnovante en ingénierie », VertigO - la revue électronique en sciences de l'environnement [En ligne], Débats et Perspectives, 2017, mis en ligne le 09 janvier 2017, consulté le 16 décembre 2017. URL : http://journals.openedition.org/vertigo/17914

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Auteurs

Philippe Terrier

Maitre d’enseignement, codirecteur du Laboratoire d’Ingénierie pour le Développement Durable, École de Technologie supérieure, 1100 Rue Notre-Dame Ouest, Montréal, QC H3C 1K3, Canada, courriel : philippe.terrier@etsmtl.ca

Mathias Glaus

Professeur, École de Technologie supérieure, 1100 Rue Notre-Dame Ouest, Montréal, QC H3C 1K3, courriel : mathias.glaus@etsmtl.ca

Emmanuel Raufflet

Professeur, HEC Montréal, 3000 chemin de la Côte-Sainte-Catherine, Montréal, QC H3T 2A7, courriel : emmanuel.raufflet@hec.ca

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