La bionique est la science qui recherche dans les éléments naturels des modèles pour réaliser des objets ou des constructions. La bionique se base sur la biomécanique qui consiste à explorer les propriétés mécaniques des organismes vivants. Grâce aux données recueillies et par biomimétisme, les chercheurs, ingénieurs ou architectes vont développer des systèmes non biologiques généralement très performants.

Découvrez dans ce dossier le potentiel de la bionique et des différentes formes de biomimétisme au travers de nombreuses mises en application. Nous parlerons bien sûr en fin de dossier des découvertes structurales du célèbre Antoni Gaudí, architecte créateur de l’immense Sagrada Familia à Barcelone.

Le biomimétisme pour copier les réussites de Mère Nature

Le biomimétisme permet d’accéder à une solution rationnelle, structurée et logique car inspirée de la nature. « 3,8 milliards d’années de recherche et de développement », note Jamie Dwyer de la société de conseil en biomimétisme Biomimicry 3.8. Le spécialiste du biomimétisme rappelle que « si l’on rapporte toutes les créatures encore vivantes aujourd’hui à toutes celles qui ont disparu, il s’agit d’un dixième de pour cent… À comprendre donc que les solutions biologiques sont le résultat de très nombreux crashes tests.

On retrouve deux approches au biomimétisme : la simulation de procédés biologiques comme la reproduction en architecture de formes naturelles par exemple, et la reproduction de matières vivantes que l’on nomme aussi bio-utilisation.

Reproduire des formes naturelles pour renforcer les constructions

S’inspirer du brin d’herbe pour construire des immeubles adaptatifs

En imitant le brin d’herbe, il est possible d’ériger des bâtiments plus légers et autonomes. Certaines variétés de graminées possèdent une structure de soutien avec une double paroi en anneau. En outre, le tissu entre les deux parois de l’anneau est rempli d’eau, ce qui empêche ces parois d’entrer en contact. En changeant la teneur en eau de ses tissus, la tige joue intelligemment avec sa force de résistance. On comprend pourquoi ce modèle concocté par la nature inspire les architectes pour la construction de gratte-ciels…

Copier la flexibilité du bambou pour résister aux secousses sismiques

De ses 509,2 mètres de hauteur, le gratte-ciel « Taipei 101 » s’octroie le domaine des cieux dans la capitale de la Taiwan, une zone sismique active. Son acier et ses éléments en verre sont disposés en écailles, un peu comme la structure externe du bambou. Comme pour la graminacée, cette structure permet à la tour d’osciller. Taipei 101 a ainsi une amplitude de sept mètres !

Copier les termites pour une bonne régulation thermique

L’architecte Mick Pearce a étudié durant plusieurs années les termitières pour ériger l’Eastgate building de Harare au Zimbabwe. La construction absorbe la chaleur durant la journée ; une multitude d’ouvertures et des cheminées permettent à l’air de pénétrer par le bas de l'immeuble. L’air chaud monte ainsi par convection. Le courant d’air naturel est accéléré régulièrement par des ventilateurs. La nuit, ce sont les murs qui ont emmagasiné de la chaleur le jour qui rejettent alors un peu de chaleur. Le froid qui pénètre dans le bâtiment durant la nuit est stocké dans les dalles du bâtiment, ce qui vient ralentir le réchauffement le lendemain.

Faire des économies de matériaux en copiant les formes des coquillages

L’ingénieure Sigrid Adriaenssens s’est penchée sur le biomimétisme. Elle explique que notre chère nature « utilise de petites quantités de matériaux et les place au bon endroit. » Exemple concret : les coquilles des coquillages contiennent peu de matière, mais c’est leur forme qui leur offre une rigidité structurelle. Pas de bigorneau en béton armé pour aujourd’hui donc.

Imiter un nid d’oiseau pour isoler

Sous leur apparente fragilité, les nids d'oiseaux résistent en fait très bien aux météos capricieuses. Avec une structure originale faite de poutres entrelacées qui isole du vent et du froid tout en laissant passer la lumière, le stade olympique de Pékin a bien mérité son surnom de « nid d’oiseau ».

De la carapace des pangolins  à la protection d’une gare internationale

Avec ses panneaux de verre modulables, le terminal international de Waterloo possède une flexibilité et une résistance face aux intempéries. Cette « carapace » protectrice est inspirée de celle du pangolin, faite d’écailles, qui lui servent à se défendre de ses agresseurs.

La bio-utilisation et la récupération d’éléments naturels

Le ciment biologique à très faible niveau d’émissions

En architecture, on retrouve ainsi du ciment biologique. BioMASON fabrique des briques en s’inspirant du mécanisme utilisé par les micro-organismes pour créer des récifs coralliens. Une bactérie altère l’équilibre du pH des agrégats de la brique, permettant de générer du carbonate de calcium qui sert de liant. Cette brique a un niveau d’émissions de carbone presque nul. Ça tombe plutôt bien puisque le secteur du bâtiment représente 30% des émissions mondiales de CO2.

Copier la nature permet ainsi de le lui rendre bien : selon l'architecte Vincent Callebaut, à l’origine du projet Anti-Smog, « les architectes bioniques cherchent des solutions pour ne plus construire en opposition à la nature, mais en harmonie avec elle. »

Des façades d’algues vertes pour dégrader les déchets

Nous n’en voulons plus sur nos plages, certes, mais des façades d’algues vertes sont capables d’utiliser le rayonnement solaire en vue de dégrader les déchets organiques rejetés par les habitations. Des doubles vitrages dans lesquels se retrouveraient des pigments végétaux permettraient de rendre un bâtiment capable de recycler le CO2 en oxygène et de créer par photosynthèse de l’électricité !

L’eau pour résister aux ondes de choc

L’eau apporte de la flexibilité au brin d’herbe, mais aide aussi à résister aux ondes de choc. La Bionic Tower, projet fou de gratte-ciel de 300 étages qui pourrait accueillir 100 000 personnes, serait construite sur un lac artificiel de 1 km de large. Ce lac permettrait d’atténuer les ondes de choc, causées notamment par un tremblement de terre.

Créer un bois bionique ultrarésistant

Woodoo a breveté une innovation permettant de rendre le bois deux à trois fois plus rigide, étanche, imputrescible, plus résistant au feu, et enfin… transparent ou translucide. Pour cela, la startup retire la lignine du bois et remplit l’air présent dans le bois par un biomonomère - un plastique d’origine naturelle qui grâce à un autoclave vient renforcer les liaisons atomiques entre les fibres. Pour la transparence ou la translucidité, c’est la cellulose du bois – un matériau cristallin – qui permet de laisser passer la lumière.

Cette innovation peut être appliquée aux façades, aux planchers et aux toitures des constructions. S’il n’est pas impossible de construire des bâtiments composés en grande partie de bois, ce bois « augmenté » pourrait faciliter l’érection de bâtiments de très grande hauteur !

L’architecte Antoni Gaudí, pionnier du biomimétisme

L’inspiration première du célèbre architecte et designer Antoni Gaudí est bel et bien la nature. Le principal représentant du modernisme écrira d’ailleurs dans son journal : « je n’invente rien, je copie le grand livre toujours ouvert de la nature ». Grand fervent du biomimétisme, le catalan s’inspira de la nature pour réaliser de grandes œuvres comme la Sagrada Familia (toujours en construction depuis 1882) ou encore le parc Güell à Barcelone.

Des formes organiques inspirées de la nature

Gaudí a ardemment étudié les formes organiques de la nature. Quelques-unes de ses inspirations majeures viennent d’ailleurs de la montagne de Montserrat, des grottes de Majorque, des rochers de Fra Guerau, etc. Il s’est aussi inspiré des végétaux et du corps humain : l’architecte espagnol disait d’ailleurs qu’il n'existe pas de meilleure structure que celle d'un tronc d'arbre ou d'un squelette humain.

« Les paraboloïdes, hyperboloïdes et hélicoïdes, variant constamment l'incidence de la lumière, ont une richesse de nuances qui leur est propre, qui rend l'ornementation, et même le modelage superflu », Antoni Gaudí.

On retrouve dans les œuvres de Gaudí des formes géométriques complexes comme :

La paraboloïde hyperbolique

  • le paraboloïde hyperbolique : « surface en forme de selle de cheval qui s’obtient en faisant glisser une parabole sur une autre en tournant sa concavité dans la direction opposée ».
    paraboloïde hyperbolique
    Le paraboloïde hyperbolique est une forme géométrique complexe que Gaudi utilisait dans ses plans.

Hyperboloïde

  • Quadrique à centre dont les sections planes sont des hyperboles.
    Hyperboloïde
    L’hyperboloïde est une forme géométrique que Gaudi utilisait dans ses constructions innovantes.

L'hélicoïde

  • surface produite par le mouvement hélicoïdal d’une droite autour d’un axe.
    hélicoïde
    L’hélicoïde est une forme géométrique que l’architecte Gaudi reproduisait dans ses plans de bâtiments.

Conoïde

  • surface engendrée par une droite qui se déplace parallèlement à un plan fixe en s’appuyant sur une droite fixe.
    Le conoïde
    Le conoïde est une forme géométrique que Gaudi joignait à ses plans architecturaux.

La Sagrada Familia, l’œuvre majeure de l’architecte catalan

La Sagrada Familia
La Sagrada Familia de Gaudi est le fruit du biomimétisme.

Gaudí a conçu la structure du « temple expiatoire de la Sainte Famille » en s’inspirant de celle d’une forêt. Des colonnes « arborescentes » divisées en hauteur en plusieurs rameaux soutiennent les voûtes, perchées à 45m de hauteur ! Ces colonnes sont inclinées dans le but de supporter plus efficacement les pressions à angles droits avec leur section. De surcroît, l’auteur de ce chef-d’œuvre a donné à ces colonnes une forme hélicoïdale à double hélice comme dans les troncs et les branches des arbres.

« L’architecture du futur construira en imitant la nature parce que c’est la plus rationnelle, durable et économique des méthodes », Antoni Gaudí.

Gaudí surpasse le style gothique grâce à des voûtes d'hyperboles qui remplacent les voûtes gothiques. Avantage aux hyperboles qui en leur centre peuvent créer une ouverture et loger de petites baies que l’architecte utilisait pour créer la sensation d'un ciel étoilé.

intérieur Sagrada Familia
Les voûtes de la Sagrada Familia tiennent à 45m de hauteur.

 

Conclusion : de moins en moins de modèles pour le biomimétisme architectural ?

Gaudí, pionnier du biomimétisme en architecture, put créer d’impressionnantes œuvres comme la Sagrada Familia à Barcelone (toujours en construction de par l’ampleur du projet) en s’inspirant de la nature et de ses formes structurelles. Si l’architecture bionique est à l’origine d’œuvres ou de projets d’ampleur, c’est bien parce qu’elle puise dans ce que la nature a créé durant des millions ou des milliards d’années. De la flexibilité du brin d’herbe et du bambou aux capacités isolantes des nids, il n’y a finalement qu’à puiser dans la nature pour bâtir durable. La bio-utilisation, quant à elle, permet de reproduire des matières vivantes, mais certaines constructions utilisent directement ces matières en les intégrant dans les plans, comme c’est le cas des façades d’algues vertes.

Mais attention, le docteur Peter Niewiarowski de l’université d’Akron met en garde : « quand on emprisonne le biomimétisme dans la conception ou l’ingénierie, comme s’il leur appartenait, on étouffe son potentiel. » Découvrons donc notre nature sous tous ses potentiels et pour bâtir durable dans tous les sens du terme, évitons de l’étouffer littéralement : de nombreuses espèces (dont le Pangolin qui inspira le terminal international de Waterloo) disparaissent chaque année avec tout ce qu’elles ont à nous offrir (bioniquement parlant et bien plus).

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