Biomimétisme - BIOINSPIRED

Biomimétisme, Bioinspiration : Concevoir des enveloppes inspirées du vivant pour le bâtiment

Les rapports du GIEC et l’IPBSES livrent des chiffres alarmants sur le futur climatique et sur la dégradation de la biodiversité.

La filière du bâtiment, en première ligne pour la Stratégie Nationale Bas Carbone, nécessite aujourd’hui des efforts sur sa durabilité et sa performance énergétique. En réponse, un changement de paradigme pour la conception des bâtiments est observable avec un retour progressif de principes architecturaux organiques ou biophiliques, soutenant une cohabitation plus pérenne entre l’humain et son environnement. L’inspiration du monde vivant, ou « biomimétisme », émerge progressivement comme une approche innovante et prometteuse pour la proposition d’applications respectueuse de l’environnement. Quelles leçons avons-nous à tirer du vivant pour rendre les bâtiments plus durables ? La nature pourrait-elle être une clé pour répondre aux enjeux de transitions énergétique et environnementale qui pèsent sur la filière du bâtiment ?

Répondre aux enjeux environnementaux impose de penser le bâtiment dans sa globalité : sur l’ensemble de son cycle de vie (construction, exploitation, déconstruction), sur son impact environnemental en étendant l’évaluation, en généralisant l’usage de critères relatifs au changement climatique, à l’épuisement des ressources à l’appauvrissement du vivant entre autres et sur son rapport aux usagers, en étant plus inclusif, évolutif et pédagogique. La réponse à apporter ne doit donc pas se focaliser sur les questions technologiques ou méthodologiques mais doit s’accompagner d’un véritable changement des pratiques: consommer proche et peu, faire avec et pas contre, redistribuer, réutiliser et pas exploiter. Cette frugalité et cette efficacité sont présentes dans la nature ce qui en fait une réelle source d’inspiration et de solutions.

L’enveloppe du bâtiment se démarque alors comme un terrain d’application particulièrement pertinent. A l’interface entre les sollicitations extérieures et l’ambiance intérieure, gérant les transferts énergétiques, lumineux, thermiques, elle est l’élément de base de la performance du bâtiment dont elle représente également l’expression architecturale. L’inspiration du vivant appelée « bio-inspiration » peut alors être une promesse de nouveaux systèmes d’enveloppe de bâtiment plus performants, économes en ressources, durables et esthétiques.

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Biomimétisme et histoire

(c)expression-parapente.com/otto-lilienthal/

Si le biomimétisme prend une nouvelle envergure à l’échelle mondiale, cette approche créative et interdisciplinaire a depuis longtemps été ancrée dans le processus créatif de l’homme. Les travaux bien connus de Léonard de Vinci sur les machines volantes inspirées des oiseaux en sont une illustration. Les avionneurs qui lui succèdent, de Frantz Reichelt s’élançant de la Tour Eiffel équipé d’un parachute « chauve-souris », à Otto Lilienthal et son planeur inspiré des cigognes, ont pour beaucoup cherché l’inspiration dans la nature. Un processus certes teinté d’échecs, mais itératif, qui a finalement mené aux morphologies de l’avion que nous connaissons aujourd’hui. Si nous savons aujourd’hui voler, le biomimétisme suggère encore comment rendre le vol plus efficace : utilisation de winglets (ailettes) pour une meilleure stabilité, réduction du bruit par l’étude du vol des chouettes…

Dans la filière du bâtiment, certaines conceptions biomimétiques ont vu le jour dès le 19ieme siècle. Le Palais de Cristal (1851, Londres), par exemple, véritable exploit d’ingénierie conçu par l’architecte et jardinier Joseph Paxton, est structurellement inspiré des nervures radiales rigides de la plante aquatique nymphéa. Similairement, le treillage mécanique de la Tour Eiffel est basé sur la porosité du fémur humain de façon à assurer une capacité de support de charge suffisante.

Outre les charges mécaniques, les concepteurs ont su s’inspirer de multiples fonctions du vivant, telles que les transferts hydriques ou la thermorégulation. Le centre de bureaux et de commerce iconique Eastgate (1995, Harare, Zimbabwe) conçu par Mick Pearce, tire profit d’une ventilation naturelle inspirée des termitières à l’aide de grandes cheminées, qui offre une économie d’énergie en refroidissement conséquente comparé à des bureaux classiques similaires.

Avancées technologiques : un nouveau champ des possibles

Les projets ici cités restent des applications ponctuelles, certes emblématiques mais qui n’ont pas été industrialisées, ayant de fait un impact majoritairement médiatique sur le biomimétisme. Malgré l’intérêt croissant pour la bio-inspiration, accentué par l’ouvrage de Janine M. « Biomimicry: Innovation Inspired by Nature« (1997, les outils et technologies sont dans les années 2000, trop peu matures pour permettre un développement de solutions bio-inspirées de façon massive et répétable.

Les progrès technologiques récent changent cependant la donne. Les techniques d’observation à « haute résolution »[1]. permettent aujourd’hui l’observation du vivant à une nouvelle échelle, aidant ainsi sa description, la compréhension de ses mécanismes, et donc sa possible transposition en une solution technologique. Parallèlement, les avancées technologiques de fabrication facilitent la démarche biomimétique, permettant la fabrication de systèmes plus complexes. La fabrication additive, notamment, facilite des techniques constructives innovantes, offrant la possibilité d’imiter la nature avec une précision remarquable. Elle permet la fabrication (et éventuellement l’industrialisation !) de formes, matériaux, structures, qui étaient jusqu’à maintenant difficiles à obtenir.

Ainsi, ces évolutions combinées laissent entrevoir de nouvelles possibilités de construction, lançant un nouveau souffle au biomimétisme. La discipline est alors à l’initiative de nombreux projets de recherches au sein de centres reconnus, tels que le FIT (Freiburg Center for Interactive Materials and Bioinspired Technologies) en Allemagne, plus localement le Muséum National d’Histoire Naturelle (MNHN, projet « Bioinspired-Muséum »), ou encore le Ceebios, réseau et centre d’expertise français dédié au déploiement du biomimétisme pour l’accélération de la transition écologique. Le centre de recherche collaboratif SFB-TRR 141[2] proposent des projets qui aboutissent tous les ans à des pavillons inspirés de modèles biologiques, par collaboration étroite entre des concepteurs et des biologistes. Le pavillon 2014-2015 s’inspire de l’araignée de mer et de la manière dont elle construit son nid sous l’eau, à l’aide d’une bulle d’air renforcée par des fibres de soie arrangés de manière très spécifique. Le pavillon, construit à l’aide d’un robot tissant des fibres de carbone sur une bulle de ETFE (fluoropylymère thermoplastique « Ethylene tetrafluoroethylene »), est une structure très légère dont les matériaux sont intégrés de manière extrêmement efficace.

 

[1] Eric Betzig, Stefan Hell et William Moerner ont reçu le prix Nobel de chimie 2014 pour le développement de deux techniques de microscopie à fluorescence permettant de visualiser le vivant à l’échelle nanoscopique.

[2] “Biological Design and Integrative Structures – Analysis, Simulation and Implementation in Architecture », de l’Université de Freiburg, Tübingen and Stuttgart

Procédé de fabrication robotique mis au point pour le dépôt et le renforcement des fibres de carbone pour la création du pavillon.

Les freins actuels

Alors que les travaux académiques, les réseaux et la communication en bio-inspiration sont croissants, le nombre d’applications d’enveloppes ou bâtiments bio-inspirés est limité, les concepts bio-inspirés s’arrêtant bien souvent à des niveaux de maturation technologique faibles, tels que les prototypes ou pavillons évoqués. Or, sans leur industrialisation, ces solutions ont un impact moindre à grande échelle. En outre, cet impact – au-delà du geste architectural et de la promotion de la démarche – n’est que rarement évalué, n’aidant pas à monter la valeur ajoutée de ces solutions (énergétique, environnementale, financière…).

Le fossé existant entre un concept, source d’inspiration initiale, et le produit qui en résulte, pourrait être dû aux difficultés liées au transfert de connaissance des organismes vivants vers une technologie. La transférabilité d’un modèle biologique requiert une maitrise des contraintes d’implémentations de la technologie, ainsi qu’une bonne compréhension de son fonctionnement ; sur ce pan, nombres d’outils existent pour aider l’interdisciplinarité lors de la conception bio-inspirée, aiguillant la sélection et la compréhension de modèles biologiques, mais ils ont l’inconvénient d’être souvent conçus pour et par des ingénieurs, sans le regard et l’intervention de biologistes d’expertise variable (botanistes, zoologistes, mycologues, etc.). Sur la thématique d’outils de ressourcement, le CEEBIOS (Centre français d’études et d’expertise en biomimétisme) a entamé en 2020 des recherches collaboratives afin d’initier une infrastructure mutualisée contenant une matériauthèque du vivant caractérisée, et ainsi d’aider la pratique bio-inspirée pour de nombreux industriels.

Vers des enveloppes performantes bio-inspirées : le projet BIOINSPIRED

Ces enjeux sont le point de départ du projet BIOINSPIRED, mené par NOBATEK/INEF4 en collaboration avec le laboratoire I2M de l’Université de Bordeaux, l’UMR MECADEV du MNHN et le Ceebios, et auquel est intégrée une thèse menée par Tessa HUBERT. Ces travaux visent à répondre aux limitations et défauts des enveloppes de bâtiments, tout en soulevant les défis rencontrés dans la littérature et sur le terrain[3], par la proposition d’une méthode de conception bio-inspirée. Le travail est mené en collaboration avec des biologistes pour consolider la pertinence de l’approche utilisée et l’exactitude de notre compréhension du vivant, et avec des concepteurs pour une mise en avant des contraintes de fabrication, et des problématiques d’industrialisation liées à la complexité possible de concepts bio-inspirés.

La démarche employée explore toutes les étapes du processus de conception : de la recherche de modèles biologiques en passant par leur compréhension et description selon une vision architecte/ingénieur, et jusqu’à la formalisation, la conception d’un produit ou système d’enveloppe du bâtiment, et à son évaluation.

 

[3] Article Cruz, Hubert, et al, 2020

Identification de stratégies du vivant pertinentes pour l’enveloppe

Construction du nid d’un oiseau tisserand pendu à une branche d’arbre avec des fibres végétales

Première étape, identifier quelques stratégies du vivant comme sources d’inspiration potentielles et les décrire selon des critères et un langage courant pour un concepteur de bâtiment. Les enveloppes biologiques – dans la continuité des travaux d’Estelle Cruz  – et les constructions animales ont été retenues : à l’image d’un bâtiment, celles-ci présentent de multiples fonctions de régulation afin d’assurer des conditions internes optimales malgré des sollicitations extérieures éprouvantes. Les plumes des manchots, par exemple, offrent une couche d’isolation thermique ayant des propriétés antigivre, leur permettant de plonger quotidiennement dans des eaux glaciales. En outre, l’étude des constructions animales peut mettre en avant des techniques de construction sobres en ressources, dans des temps parfois courts face à une prédation menaçante ou des conditions climatiques extrêmes.

En savoir plus sur les travaux d'Estelle Cruz

Conceptualisation d’un principe

Pour cela, une réflexion participative a été menée avec la participation d’architectes, ingénieurs et concepteurs, et à l’appui la base de données créée. Le concept finalement retenu pour ces travaux est un élément d’enveloppe dynamique aux propriétés radiatives adaptatives qui permet la gestion des apports d’air, de lumière et de chaleur à travers une paroi opaque. Deux espèces vivantes ont notamment inspiré la technologie : le papillon morpho, un insecte qui présente des caractéristiques variées au niveau de ses ailes (convection forcée, orientation un échange radiatif avec l’environnement ou la voûte céleste, émissivité qui change avec la température)[4] et le caméléon, reptile connu pour ses changements de couleur dus à la déformation d’un réseau cristallin contenu dans son derme[5]. Le principe est déformable, comme le réseau cristallin du caméléon, et déployable, via une multitude d’éléments orientables comme les ailes du morpho. Il est également auto-réactif en changeant de propriétés radiatives avec la température. Envisagé devant une paroi, un vitrage, voire même en tant qu’enveloppe intégrale, ce système pourrait filtrer selon les besoins les apports thermique, d’air, et de lumière, et ainsi protéger le bâtiment de fortes chaleurs.

 

[4] Van Hooijdonk, Berthier, et Vigneron, 2012

[5] Teyssier et al, 2015

Credit: Myriame Ali-Oualla et Kaïs Bhouri

Conception d’un système pour l’enveloppe

La conception du principe a nécessité différentes itérations, entre conceptions paramétriques et étapes de fabrication. Un prototype de 1 m² non déformable mais constitué de clapets orientables a été réalisé et appelé STEGOS. Les propriétés radiatives adaptatives ont été obtenues à l’aide d’un revêtement thermochromique sur les clapets, coformulée avec Olikrom, dont la couleur, et donc le coefficient d’absorption, change avec la température.

Evaluation de la performance

Des mesures en conditions climatiques réelles ont été menées sur un prototype de paroi basé sur le concept, et intégré à une boîte test de 1 m³. Couplées à des modèles théoriques partiels de type « boite grise », ces mesures ont ainsi servi à proposer une caractérisation thermique du concept proposé. Celle-ci est un premier pas vers la prédiction du comportement d’une telle enveloppe sur un bâtiment, et devant des parois aux compositions diverses. A terme, il serait également possible de travailler sur son pilotage, en permettant par exemple un captage de chaleur maximisé l’hiver, et minimisé l’été.

Quelles perspectives ?

La suite de ce travail, centré sur l’élément d’enveloppe, consisterait à considérer l‘impact sur un bâtiment en vue de son évaluation globale, étape cruciale pour montrer comment l’inspiration du monde biologique peut in fine participer à la performance d’un bâtiment.

Les travaux menés ici, ont permis l’exploration d’une démarche expérimentale et participative pour l’idéation d’un concept bio-inspiré et son transfert vers un produit. La base de données générée sur les constructions animales est un outil de conception original, dont la structuration, dédiée aux concepteurs d’enveloppes, devrait permettre le lien entre biologie et technologie pour inspirer de nouveau systèmes.

Enfin, de manière plus générale, NOBATEK/INEF4 appliquera ces méthodes dans les futurs projets de conception de systèmes mais aussi de bâtiments en collaboration avec des architectes et maitres d’ouvrage où l’intérêt pour la bioinspiration est évident.

Les travaux d'Estelle Cruz

En 2014, Estelle Cruz, fraichement diplômée architecte après une formation d’Architecte-Ingénieur à l’ENSA et Centrale Lyon, entame un tour du monde dans l’ objectif de dresser un état de l’art des pratiques autour du biomimétisme dans le monde « de Kyoto à Wellington » Elle a ainsi mené plusieurs collaborations au sein de l’agence d’architecture Mick Pearce partnership au Zimbabwe, en Nouvelle Zélande auprès du Dr. Maibritt Pedersen Zari, à l’Université de Kyoto en étudiant avec le Pr. Satoshi Sakai puis au MIT avec le Dr. Lidia Badarnah. NOBATEK/INEF4 (à l’époque encore association Nobatek) a soutenu ce tour du monde et a bénéficié de ces travaux.

 

Ce travail préliminaire a conduit au lancement de plusieurs thèses :

  • Développement d’une méthode de rénovation d’enveloppes de bâtiments inspirées des stratégies d’adaptation du vivant menée par Estelle Cruz avec le Laboratoire MECADEV UMR 7179, Musée National d’Histoire Naturelle, le CEEBIOS (Centre Européen d’Excellence en Biomimétisme de la ville) et le Muséum national d’Histoire naturelle et dont NOBATEK/INEF4 était membre du Conseil Scientifique
  • Caractérisation multicritère des enveloppes biologiques : Vers le développement d’enveloppes bio-inspirées » A compléter avec les partenaires
  • Bio-inspiration et enveloppe du bâtiment : proposition d’une méthode de conception et application expérimentale menée par Tessa HUBERT, ingénieure de recherche chez NOBATEK/INEF4 en collaboration avec le laboratoire I2M de l’Université de Bordeaux, l’UMR MECADEV du MNHN et le Ceebios.

Les travaux de Tessa Hubert

Thèse : « Bio-inspiration et enveloppe du bâtiment : proposition d’une méthode de conception et application expérimentale ».

Cette thèse est menée depuis 2019 par Tessa HUBERT, ingénieure de recherche à NOBATEK/INEF4, et encadrée par le laboratoire de mécanique et ingénierie de l’Université de Bordeaux (I2M) et le laboratoire de biologie MECADEV (Mécanismes adaptatifs & Evolution) associé au MNHN.

Au-delà de la méthodologie établie, Tessa HUBERT a conçu les prototypes du projet BioInspired sur le site de l’ENSAM de Talence, dans un laboratoire commun à NOBATEK/INEF4 et I2M. Elle est également soutenue par des enseignants-chercheurs dans diverses structures de l’Université de Bordeaux telles que : Efficiences Energétique et Environnementale du Bâtiment, des Usages et des Systèmes (E3BUS), TREFLE, ENSAP, GRECCAU (architectes qui apportent leurs retours d’expérience).

Elle soutiendra sa thèse le 4 juillet 2022 à Bordeaux

Glossaire

Biomimétisme : philosophie et approches conceptuelles interdisciplinaires prenant pour modèle la nature afin de relever les défis du développement durable.

Biomimétique : coopération interdisciplinaire de la biologie et de la technologie ou d’autres domaines d’innovation dans le but de résoudre des problèmes pratiques par le biais de l’analyse fonctionnelle des systèmes biologiques, de leur abstraction en modèles ainsi que le transfert et l’application de ces modèles à la solution.

Bioinspiration : approche créative basée sur l’observation des systèmes biologiques. La bioinspiration est un changement de paradigme qui conduit des concepteurs à s’inspirer de la nature pour développer de nouveaux systèmes. La bioinspiration s’appuie souvent sur le biomimétisme. Comme lui, elle peut puiser son inspiration tant dans le monde des végétaux que des animaux et champignons, ou des bactéries et virus.

Bioconception ou éco-conception : Également appelée construction durable, l’écoconstruction consiste en la réalisation ou la rénovation d’un bâtiment ou d’une pièce de la manière la plus respectueuse de la nature possible. Ainsi, l’écoconstruction prend en compte l’ensemble des techniques de développement durable, le but étant de créer une réalisation humaine la moins polluante possible.

Solutions fondées sur la Nature : Les Solutions fondées sur la Nature sont des actions qui s’appuient sur les écosystèmes pour relever les défis que posent les changements globaux à nos sociétés comme la lutte contre les changements climatiques, la gestion des risques naturels, la santé, l’approvisionnement en eau ou encore la sécurité alimentaire. Des écosystèmes résilients, fonctionnels et diversifiés fournissent en effet de nombreux services écosystémiques pour nos sociétés tout en permettant de préserver et restaurer la biodiversité. Pour en savoir plus sur les SFN : https://nature4cities-platform.eu/#/

Publications associées au projet BIOINSPIRED

Hubert, T., Dugué, A., Vogt Wu, T., Bruneau, D., Aujard, F., (2022). Exploiting the Potential of Nature for Sustainable Building Designs: A Novel Bioinspired Framework Based on a Characterization of Living Envelopes, in: Palombini, F.L., Muthu, S.S. (Eds.), Bionics and Sustainable Design, Environmental Footprints and Eco-Design of Products and Processes. Springer Nature Singapore, Singapore, pp. 289–331. https://doi.org/10.1007/978-981-19-1812-4_10

 Hubert, T., Dugué, A., Vogt Wu, T., Aujard, F., & Bruneau, D. (2022). An Adaptive Building Skin Concept Resulting from a New Bioinspiration Process: Design, Prototyping, and Characterization. Energies, 15(3), 891. https://doi.org/10.3390/en15030891

Hubert, T., Dugué, A., Vogt Wu, T., Bruneau, D., & Aujard, F. (2022). Exploiting the Potential of Nature for Sustainable Building Designs: A Novel Bioinspired Framework Based on a Characterization of Living Envelopes. In Bionics and Sustainable Design. SPRINGER VERLAG, SINGAPOR.

Hubert, T., Durand-Estebe, B., Dugué, A., Vogt-Wu, T., & Bruneau, D. (2022). Mesure et identification des propriétés thermiques d’un système d’enveloppe bio-inspiré dynamique par une méthode d’optimisation. 8.

Cruz, E., Hubert, T., Chancoco, G., Naim, O., Chayaamor-Heil, N., Cornette, R., Badarnah, L., Raskin, K., & Aujard, F. (2021). Design processes and multi-regulation of biomimetic building skins : A comparative analysis. Energy and Buildings, 246, 111034. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.111034

Hubert, T., Vogt Wu, T., Dugué, A., Bruneau, D., & Aujard, F. (2021). A framework for the design of bioinspired building envelopes: Case study of an adaptive skin inspired by the morpho butterfly. Advanced Building Skin, Bern, Switzeerland.

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