Imaginez un avenir dans lequel les bâtiments dominent les rues en contrebas, les touristes font des excursions d'une journée au bord de notre atmosphère, et plusieurs stations spatiales peuvent être repérées en train de dériver dans le ciel nocturne. Pour faire de cette vision de science-fiction une réalité, nous devrons créer de nouveaux types de structures légères mais toujours solides et résistantes.

Une approche traditionnelle de ce processus de conception impliquerait la création de nouveaux matériaux, comme les superalliages – des métaux exceptionnellement solides et résistants aux températures extrêmes. Ces matériaux avancés nous ont permis de voler plus vite que la vitesse du son et d'envoyer des rovers sur Mars.

Cependant, on ne peut pas simplement "inventer" de nouveaux éléments chimiques, et il n'y a qu'un nombre fini de façons de mélanger et assortir celles que nous avons déjà. Nous devons donc apprendre de nouvelles façons d'organiser les matériaux actuellement disponibles de manière à ce que les structures résultantes soient plus solides et plus résistantes que les matériaux eux-mêmes.

Heureusement, la nature a lutté avec ce même problème pendant des centaines de millions d'années. Contrairement aux ingénieurs, cependant, la nature n'invente pas de nouveaux arrangements, ou "conceptions mécaniques, " en utilisant des équations et des algorithmes informatiques. il produit de nombreux modèles différents grâce à des mécanismes évolutifs, comme une mutation génétique. Puis, par sélection naturelle, les organismes dotés de meilleures conceptions survivent souvent à ceux qui en ont de pires et transmettent les plans de ces conceptions à leur progéniture par héritage génétique.

Ce processus évolutif peut produire des conceptions mécaniques extrêmement efficaces qui ne ressemblent souvent en rien à celles utilisées dans le monde de l'ingénierie. Par exemple, J'étudie les éponges qui vivent au fond de l'océan pour apprendre de nouvelles façons de fabriquer des poutres plus solides – les structures qui soutiennent tout, de nos maisons aux châssis de nos voitures et aux ponts sur lesquels nous conduisons.

La science derrière l'ingénierie bio-inspirée

L'ingénierie bio-inspirée est devenue un sujet brûlant dans le monde scientifique. L'objectif est d'abord de comprendre comment la conception mécanique d'une structure biologique améliore ses performances, puis d'appliquer les principes physiques sous-jacents à cette conception pour créer de nouvelles structures artificielles.

Par exemple, les coquilles dures des palourdes et des huîtres sont constituées d'aragonite, un minéral cassant qui est l'ingrédient principal du calcaire. Les coquilles de palourdes sont dures car ce minéral n'est pas emballé au hasard, mais est plutôt disposé selon un motif qui ressemble à un mur de briques microscopique. Les interfaces entre les briques de ce mur empêchent les fissures de se développer en ligne droite à travers la coque.

Copier et coller simplement cette conception pour créer une nouvelle structure artificielle ne nous donnerait pas nécessairement une structure avec la même ténacité que la coque. Plutôt, L'ingénierie bio-inspirée est un processus en plusieurs étapes.

D'abord, nous identifions la fonction d'une structure naturelle. Par exemple, la coquille protège la palourde des prédateurs. Prochain, nous quantifions comment la conception de cette structure affecte sa performance de cette fonction - dans ce cas, à quel point la coquille de palourde est solide et résistante par rapport à l'aragonite elle-même. Finalement, nous voulons expliquer la relation entre le design et la performance. Pour la coquille de palourde, cela signifierait dériver une équation qui relie des paramètres tels que le rapport d'aspect des "briques" microscopiques qu'il contient à la ténacité de la coque.

Qu'est-ce qui rend les éponges si solides ?

Contrairement à un doux, éponge de cuisine spongieuse, l'éponge marine que j'étudie, Euplectella aspergillum , est rigide et fort. Il a un squelette étonnamment complexe qui se compose d'un assemblage complexe de fibres, connu sous le nom de spicules, pas plus gros qu'un cheveu humain. Leur fonction structurelle ressemble beaucoup à celle des milliers de poutres qui composent la tour Eiffel.

Les spicules de l'éponge sont inhabituels car ils sont presque entièrement en verre ! Alors que nous pensons généralement au verre comme un matériau faible et cassant, les spicules sont incroyablement forts et résistants. Ce contraste est ce qui m'a motivé à l'origine à considérer ce qui rend les spicules si forts - et comment ils peuvent nous apprendre à fabriquer des faisceaux plus forts.

Les couches mènent à la force

Ma recherche se concentre sur un groupe spécialisé de spicules qui agissent comme des racines pour ancrer l'éponge aux sédiments mous du fond océanique. Rester solidement attaché au fond de l'océan permet à l'éponge de pomper de l'eau à travers son corps et de filtrer les micro-organismes à manger.

Comme la coquille de palourde, les spicules d'ancrage ont également une conception mécanique microscopique. Si vous en coupez un, vous constaterez que le verre du spicule est disposé en couches concentriques qui ressemblent beaucoup à des cernes d'arbres. Il est possible que cette conception mécanique permette aux spicules d'ancrage de se plier davantage avant de se casser, et rend donc l'attache de l'éponge plus robuste.

J'ai exploré cette idée en mesurant à quel point les spicules d'ancrage peuvent se plier avant de se briser, et en les comparant aux spicules d'une autre éponge qui ont la même composition chimique mais n'ont pas de couches. Les résultats de cette expérience montrent que E. aspergillum les spicules peuvent se plier environ 2,4 fois plus que les spicules sans couches.

Percer le secret de structures plus solides

La prochaine étape de ma recherche consiste à comprendre pourquoi le simple fait de disposer le verre en couches concentriques a un effet si important sur la résistance à la flexion. Le plan est de dériver des équations qui peuvent prédire la force d'un faisceau avec un certain nombre de couches concentriques et d'épaisseurs de couches - la troisième étape du processus d'ingénierie bio-inspirée. Si mes équations sont correctes, ils devraient être capables de prédire avec précision l'amélioration de la force que j'ai mesurée.

Il y a quelques années, je faisais partie d'une équipe qui a développé un modèle théorique pour faire ce genre de prédiction. Cependant, les équations qui composent ce modèle prédisent que les couches devraient augmenter la résistance à la flexion du spicule d'un maximum de 33 % seulement, bien loin de l'augmentation de 140 % que j'ai récemment mesurée dans les spicules réels. Cette différence suggère qu'il manque quelque chose dans notre modèle, et que nous devons revenir en arrière et réviser ces équations.

Une fois que nous avons un modèle précis, nous pourrions utiliser les équations pour concevoir des spicules, poutres en couches qui sont beaucoup plus solides que les structures de pointe d'aujourd'hui. Ces faisceaux stratifiés pourraient finalement être utilisés pour fabriquer des fusées, avions, et des habitats spatiaux sensiblement plus légers, et donc plus efficace, que ceux que nous utilisons aujourd'hui. Dans un sens, Les secrets de conception du fond de l'océan pourraient éventuellement nous aider à explorer de nouveaux mondes.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.