Des trains velcro aux trains à grande vitesse, la nature a inspiré certains des exploits les plus impressionnants de l’innovation humaine. Cet été, un robot sous-marin ressemblant à un crabe, mis au point par des scientifiques coréens, cherchera d'anciens artefacts dans la mer Jaune. Les drones imitent les mouvements de vol des oiseaux et des abeilles. Et notre avenir biomimétique s'annonce prometteur.
Une poignée de chercheurs est maintenant sur les talons d'une nouvelle création: la peau synthétique.
Les animaux marins utilisent leur peau pour naviguer et survivre dans leur environnement. Les dauphins vivant dans des eaux froides ont une peau épaisse qui leur permet d’isoler leur corps et de rester au chaud. La peau bordée de ventouses des pieuvres contient non seulement des millions de nerfs qui les aident à détecter et à saisir les proies, mais elle est également dotée de cellules uniques à changement de couleur qui peuvent les rendre invisibles aux prédateurs. Les bosses de la peau qui tapissent les nageoires pectorales des baleines à bosse augmentent la flottabilité de l'animal. Alors, les scientifiques voient le potentiel.
Les chercheurs développent, à l'aide de technologies d'impression 3D et de modélisation informatique, des peaux artificielles, mais réalistes, d'animaux marins, allant des poignées de porte antimicrobiennes aux robots sous-marins. George Lauder, ichtyologiste à la Harvard University de Boston, et son équipe ont mis au point la première véritable peau de requin artificielle avec l'aide d'une imprimante 3D haut de gamme.
Des tentatives précédentes avaient impliqué des moules et des tissus en caoutchouc, et les chercheurs avaient du mal à fabriquer des matériaux avec des composants à la fois souples et durs. Les maillots de bain inspirés de la peau de requin ont fait sensation aux Jeux olympiques de 2008, mais l’équipe de recherche de Lauder a en fait découvert que le matériau utilisé dans des combinaisons comme Fastskin II de Speedo ne mimait pas vraiment la peau de requin ni ne réduisait la résistance, car il manquait de denticules.
Les requins peuvent nager à grande vitesse dans les eaux océaniques grâce à de minuscules denticules ressemblant à des dents qui recouvrent leur peau soyeuse. "Cela s'avère être une caractéristique très critique de la performance de la peau de requin pendant la nage", dit Lauder. On pourrait penser qu'une peau plus lisse est meilleure pour la vitesse. Mais, ajoute-t-il, «il est bon d’être rugueux, d’avoir une surface rugueuse d’un certain type lorsque vous souhaitez vous déplacer le plus efficacement possible dans un environnement fluide, eau ou air».
À l'aide d'un micro-scanner, l'équipe de Lauder a numérisé la peau de requin mako. À partir de la numérisation, ils ont créé un modèle 3D et l’ont envoyé à une imprimante 3D, qui a alors fabriqué un matériau polymère plastique. avec une base souple recouverte de structures dures ressemblant à des denticules. Le produit final a la sensation de la peau de requin sur le papier peint. Dans un réservoir de leur laboratoire, les chercheurs ont testé la peau artificielle et ont constaté que celle-ci augmentait la vitesse de rotation de 6, 6% et réduisait la dépense énergétique de 5, 9% par rapport à une ailette en plastique lisse sans denticules.
Une image très grossie des motifs denticulaires trouvés sur la tête d'un requin mako. (Image: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver et George Lauder) 
Les denticules sur la tête d'un requin. (Image: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver et George Lauder) Denticules des ailerons de requin (Image: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver et George Lauder) 
Motifs denticulaires sur le tronc d'un requin mako (Image: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver et George Lauder) «Si vous pouviez créer un maillot de bain ayant la structure de denticules en peau de requin ou d'écailles sur une surface flexible que vous pourriez porter et ressemblant relativement à une combinaison de plongée intégrale, cela améliorerait vraiment vos performances de natation», déclare Lauder. Mais, ce nouveau matériau n'est pas tout à fait prêt pour le prime time. «Il serait très difficile pour le moment d'intégrer ce type de structure dans n'importe quel type de tissu», ajoute-t-il. C'est un exploit pour la prochaine décennie.
Un matériau ressemblant à de la peau de requin pourrait également servir de ligne de défense contre l'encrassement biologique, ou l'accumulation d'algues et de balanes au fond des navires. La plupart des peintures antisalissure étant toxiques, une peau de requin artificielle pourrait constituer une alternative respectueuse de l'environnement. En 2005, des chercheurs allemands ont mis au point un matériau à base de silicone, inspiré de la peau de requin, qui réduit le tassement des bernaches de 67%. Puis, en 2008, l'ingénieur Anthony Brennan a adopté une approche similaire en créant un matériau appelé Sharklet, qui présente une texture semblable à une denticule et empêche 85 pour cent de l'adhérence normale des algues sur des surfaces lisses. Sharklet a également été appliqué à des dispositifs médicaux et à des surfaces hospitalières. Dans les hôpitaux et même dans les salles de bains publiques, les bactéries peuvent se propager facilement d'une personne à l'autre. Il est donc possible de réduire les infections en recouvrant ces poignées de porte et équipements avec un matériau résistant aux bactéries.
Des chercheurs de la Duke University, en Caroline du Nord, ont également mis au point un matériau anti-fouling qui se contracte ou se plisse comme une peau de bête (dans ce cas, un cheval qui se contracte au toucher d'une mouche pourrait être la meilleure analogie) lorsqu'il est stimulé. Un autre groupe de l'Imperial College de Londres tente de créer un matériau de tuyau recouvert de bosses microscopiques et de produits chimiques qui repoussent l'eau, inspirés par la peau du dauphin.
Du point de vue de la conception, la peau de requin pourrait également être utilisée pour améliorer l'efficacité énergétique des ailes d'avion - une application que M. Lauder estime utile dans l'avenir. L'ajout de structures en forme de denticule aux avions pourrait réduire la traînée. Dans le même esprit, les nageoires pectorales de baleine ont déjà inspiré la conception des ailes d’hélicoptère.
L’utilisation la plus intéressante de ces matériaux réside peut-être dans le domaine en développement des robots sous-marins bio-inspirés. «Nous allons avoir de nouveaux types de robots sous-marins dotés de corps flexibles qui se déplacent comme un poisson», explique Lauder. Plusieurs robots de poisson alimentés par batterie sont en cours d’exécution et, logiquement, leur ajouter de la peau de faux requin pourrait augmenter la vitesse et l’efficacité énergétique. Lauder et son équipe collaborent avec des chercheurs de l'Université Drexel à Philadelphie sur un robot de poisson. Depuis, ils ont élargi leur étude de la mécanique de la peau pour examiner également diverses espèces de poissons et comprendre comment différentes formes et motifs d'échelles affectent la natation.
Grâce à l'impression 3D, les scientifiques pourront en apprendre davantage sur la manière dont les motifs de denticule ou de calamine sur un poisson ont un impact sur les forces de nage. «Vous pouvez modifier l’espacement [des denticules]; vous pouvez les rendre deux fois plus espacés. Vous pouvez les échelonner, les faire se chevaucher, les éviter, et apporter de nombreux changements pour commencer à démêler les principales caractéristiques de la peau de requin », explique Lauder. Ces expériences aideront les scientifiques à perfectionner les peaux artificielles.
George Jeronimidis, ingénieur à l'Université de Reading au Royaume-Uni, déclare: «Nous commençons tout juste à comprendre à quel point la peau des créatures marines est intégrée et fonctionnelle».
Le laboratoire de Jeronimidis a mis au point une peau de poulpe artificielle. La peau de pieuvre a ses propres complexités: elle est douce, flexible et remplie de millions de neurones sensoriels qui aident l'organisme à naviguer dans son environnement. La version synthétique de l'ingénieur est composée de fibres de nylon noyées dans du caoutchouc de silicone, qui garde la peau souple mais résistante aux déchirures. Il y a même des ventouses, bien que celles-ci soient passives: une vraie pieuvre peut manipuler chaque ventouse individuellement.
Bien qu'il reste encore beaucoup à faire, les robots sous-marins pourraient être dotés de la vitesse d'un requin ou de l'intelligence sensorielle d'une pieuvre. Et avec une peau artificielle sophistiquée, ils pourraient s'aventurer là où les humains ne peuvent pas - naviguer dans les eaux troubles des marées noires, chercher l'épave d'un avion ou même peut-être même explorer les profondeurs les plus profondes de l'océan.
