Biomimétisme : quand le vivant inspire aux scientifiques de nouvelles manières de penser l’énergie

Dans l’enceinte baignée de lumière du Lumen - la bibliothèque universitaire, centre d'innovation et espace culturel située sur le plateau de Moulon à Gif-sur-Yvette, une intrigante installation a pris place. Montés sur un châssis d’un peu plus d’un mètre de haut, de longs tuyaux transparents laissent entrevoir un fluide vert circulant à toute vitesse. Il faut s’approcher du démonstrateur pour comprendre de quoi il s’agit. Le fluide en question est rempli d’algues microscopiques voyageant à travers le réseau parallèle. Comme les plantes, ces organismes du genre Chlorella pratiquent la photosynthèse à partir de l’énergie lumineuse. Et là est précisément la raison de leur présence au Lumen.

Ce module est une démonstration d’un projet porté par la Fondation de l’Université Paris-Saclay et mené en collaboration avec l’entreprise Data4 et la start-up Blue Planet Ecosystems. Il vise à concevoir un système qui utilise la chaleur libérée par les data centers pour produire des microalgues utilisatrices de dioxyde de carbone (CO₂₎. Après deux années de recherches conduites par des scientifiques de la chaire innovation ABIOMAS portée par la Fondation, un premier prototype a vu le jour en mai 2025 à Marcoussis (Essonne), sur le toit de l’un des centres de données de Data4 (voir l’article paru dans L’Édition n°27). C’est un aperçu de ce concept qui se trouve au Lumen : il fait partie d’une exposition proposant, du 9 février au 12 avril 2026, d’explorer de nouvelles manières, inspirées du vivant, de penser l’énergie. 

Des projets pour illustrer le potentiel du biomimétisme

Imaginé par le Design Spot – le centre de design de l’Université Paris-Saclay – en partenariat avec Guillian Graves, designer et fondateur de l’agence spécialisée en biomimétisme Big Bang Project, le parcours d’exposition met en lumière une vingtaine de projets de recherche et d’innovation qui s’inspirent du vivant pour développer des moyens de capter, stocker ou utiliser l’énergie. Il se divise en cinq parties, chacune montrant des approches très spécifiques des liens qui existent entre le biomimétisme et la question de l’énergie.

La première partie se concentre sur les énergies captées et explique comment le vivant canalise les flux naturels et les transforme en énergie. C’est là que se trouve le projet qui a fait naître l’idée de l’évènement, Bionergy. « L’objectif de ce programme, mené à l’initiative du Design Spot, avec la participation de Guillian Graves et d’autres entités comme le FabLab de l’Université Paris-Saclay, La Fabrique de CentraleSupélec et l’Institut de l’énergie soutenable (IES), était de développer une méthode de travail pour cocréer des systèmes inspirés de l'oursin de mer », confie Yoann Montenot, directeur du Design Spot. L’idée vient alors de créer une exposition pour présenter les concepts issus du programme, avant de l’élargir à un événement plus global sur le biomimétisme et la bio-inspiration. « Il existe tellement de projets autour de ces thématiques. »

Un traqueur solaire inspiré de la faculté de la pomme de pin à se déformer, un système robotique imitant la morphologie des oiseaux perchés sur une branche, une combinaison protégeant de la chaleur grâce au principe de refroidissement radiatif des fourmis argentées du désert… La sélection de projets offre un large panorama des multitudes d’idées qui naissent en observant les interactions entre le vivant et l’énergie. Elle montre également comment ces idées s’appliquent à des champs de recherche très divers.

Un « poumon artificiel » né de la microfluidique

Ainsi en recherche médicale, le biomimétisme fait l’objet d’un intérêt croissant. L’exposition l’illustre à travers le projet de « poumon artificiel » développé par une équipe du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N – Univ. Paris-Saclay/CNRS/Univ. Paris-Cité). Il s’agit de concevoir un dispositif capable de reproduire la fonction d’un véritable poumon,autrement dit d’oxygéner du sang et de le débarrasser du CO₂ qu’il contient.

À l’heure actuelle, il existe différentes techniques pour maintenir l’oxygénation d’un ou une patiente dont les poumons ne remplissent plus leur fonction. L’une des plus courantes est l’oxygénation par membrane extracorporelle (ECMO, pour Extracorporeal membrane oxygenation). Elle consiste à poser une canule sur la personne afin d’acheminer son sang jusqu’à une machine qui va l’oxygéner en le faisant circuler dans un réseau de fibres. Le sang oxygéné est ensuite reconduit vers le ou la patiente via une autre canule. « Ce type de système oxygène très bien le sang mais il présente des inconvénients », éclaire Anne-Marie Haghiri, directrice de recherche émérite au C2N. Au bout d’une vingtaine de jours, le dispositif devient inutilisable, à cause du sang qui se met à coaguler au point de boucher le réseau de fibres. « Lorsque le sang rentre dans le réservoir, il comprend tout de suite qu’il n’est pas dans le corps humain, parce qu’il ne détecte pas la chimie normalement présente à la surface des capillaires sanguins. Le sang commence alors à coaguler. » De plus, la pose des canules au niveau du cou et de l’aine, ainsi que la taille des machines d’ECMO imposent une immobilisation de la personne tout au long du traitement.

C’est en faisant appel au biomimétisme et à son expertise en matière de technologie microfluidique que l’équipe du C2N imagine une solution innovante d’oxygénateur, en collaboration avec Olaf Mercier, chirurgien thoracique spécialisé en transplantation cardio-pulmonaire à l’Hôpital Marie-Lannelongue, au Plessis-Robinson (Hauts-de-Seine). Démarré en 2015, le projet donne naissance à une architecture inspirée de l’anatomie du poumon et composée de canaux mimant les capillaires sanguins. « Notre dispositif est constitué d’une fine membrane qui est mise en sandwich entre deux réseaux de minuscules canaux », décrit Anne-Marie Haghiri. Le sang circule dans un réseau tandis que l’air (ou l’oxygène pur) circule dans l’autre. La fine membrane, comme les canaux, sont fabriqués en polydiméthylsiloxane (PDMS). « C’est un matériau transparent et biocompatible qui est déjà utilisé pour les lentilles de contact souples. » Il a également la particularité d’être poreux au gaz. Grâce à cette propriété, l’oxygène traverse les canaux et la membrane pour atteindre le sang, qui se retrouve dans le même temps libéré du CO₂ qu’il contient. Chaque tricouche forme un disque de dix centimètres de diamètre, où le sang est injecté au centre et se retrouve entouré de dizaines de capillaires courbés. « Il fallait que la structure offre la plus grande surface d’échange possible tout en restant compacte. »

Les premières analyses révèlent que la structure dépasse les attentes des chercheurs et chercheuses. « On s’est aperçu que le transport de gaz se fait au travers de la membrane vers les capillaires sanguins, mais aussi entre les capillaires. » Un disque est ainsi capable d’oxygéner entre quinze et vingt millilitres de sang par minute. Le résultat est concluant, bien qu’insuffisant pour imiter un poumon humain qui oxygène un litre de sang par minute. Afin d’accroître le volume, l’équipe d’Anne-Marie Haghiri empile les tri-couches les unes sur les autres, comme des CD. « Avec cinq CD empilés, qui est le maximum d’empilement que nous avons réalisé en laboratoire, on arrive à un débit de 80 mL/min. » Il faudrait ainsi empiler environ 70 CD pour atteindre les performances d’un poumon humain.

En 2022, un système à trois niveaux est testé sur un modèle porcin lors d’une chirurgie menée par Olaf Mercier. « Le système a fonctionné pendant quatre heures. Et les analyses réalisées ont montré que les constantes du cochon sont restées parfaitement stables. » Durant ce test, l’équipe expérimente aussi un système avec des canaux dont les parois sont recouvertes de cellules endothéliales pour imiter la chimie des capillaires et leurrer le sang. À l’issue de l’opération, les scientifiques constatent que les cellules se sont décollées, sous la forte pression du sang pompé par le cœur du cochon. « C’est un aspect sur lequel nous devons poursuivre les recherches »,reconnaît Anne-Marie Haghiri. Mais « les résultats restent encourageants car nous n’observons aucune différence de fonctionnement entre les systèmes sans et avec cellules. » 

Si les recherches sur le « poumon artificiel » se sont interrompues depuis 2022, elles devraient bientôt reprendre au sein de l’équipe qui a fait breveter le système microfluidique, de même que sa technologie de fabrication. En parallèle, les scientifiques espèrent également trouver un partenaire industriel pour fabriquer et expérimenter des empilements plus importants.

Relever les défis de la photosynthèse artificielle

S’ils ne figurent pas dans l’exposition au Lumen, il existe, à l’Université Paris-Saclay, d’autres projets qui ont placé le vivant et l’énergie au cœur de leur ADN. Jusqu’à se changer parfois en véritable quête, comme en témoigne Ally Aukauloo, enseignant-chercheur à l’Institut de chimie moléculaire et des matériaux d'Orsay (ICMMO – Univ. Paris-Saclay/CNRS). « La nature nous montre le chemin mais elle se garde bien de nous donner ses secrets », sourit-il. C’est pourtant à un phénomène naturel bien connu que le chimiste s’attaque depuis plusieurs décennies : la photosynthèse. C’est grâce à ce processus que les plantes, et d’autres organismes, fabriquent de la matière organique à partir de la lumière solaire, d’eau (H₂O) et de dioxyde de carbone (CO₂). « La nature est un grand laboratoire qui utilise les photons de la lumière pour faire la synthèse de tout. C’est de cette façon que la vie a commencé à se développer sur Terre il y a trois milliards d’années.»

Si la photosynthèse est étudiée depuis longtemps, le processus connaît un regain d’intérêt en raison des perspectives qu’il ouvre : celle d’utiliser l’énergie solaire, une source renouvelable, mais aussi celle de recycler le CO₂, considéré comme le principal gaz responsable du changement climatique. « Le CO₂ est une molécule qui est très difficile à attaquer », explique Ally Aukauloo. Et il ne s’agit pas de la seule difficulté rencontrée par les chimistes. Car si la photosynthèse apparaît simple sur le papier, elle forme en réalité un enchaînement de réactions complexes, pour lesquelles la nature a développé une machinerie sophistiquée. 

On sait aujourd’hui que le processus se déroule dans les chloroplastes, des organites compartimentés présents dans les cellules des organismes photosynthétiques. À l’intérieur, se trouve un complexe enzymatique appelé photosystème II (PS II). C’est lui qui absorbe l’énergie lumineuse par l’intermédiaire des pigments photosynthétiques, les chlorophylles qui « agissent comme des antennes pour capter les photons ». Une fois ces derniers captés, « les molécules vont passer dans un état excité et déclencher une série de transfert d’électrons (e^-) » qui vont être conduits jusqu’à une autre structure, le photosystème I (PS I). Dans le même temps, le PS II réalise la première réaction cruciale de la photosynthèse : l’oxydation de l’eau qui conduit à la production de dioxygène (O₂) et de protons (H⁺). La deuxième phase du processus intervient à partir du PS I où les précédents électrons sont utilisés pour produire un réducteur puissant, le NADPH (Dinucléotide nicotinamide-adénine phosphate). Le gradient de protons qui s’installe après l’oxydation de l’eau sert, quant à lui, à produire l’adénosine triphosphate (ou ATP). C’est à l’aide de ces deux molécules, le NADPH et l’ATP, que sont réalisées la réduction du CO₂ et la production de sucres comme le glucose (C₆H₁₂O₆).

Dans leurs recherches, Ally Aukauloo et son équipe tentent de reproduire les processus intervenant au niveau du PS II, à savoir le transfert des électrons et l’oxydation de l’eau. Or la tâche s’avère délicate pour égaler les talents de la nature. Il a en effet été montré que le PS II possède une structure aussi complexe que très précise. Il suffit d’y modifier deux acides aminés pour que le système ne fonctionne plus. Et les scientifiques sont loin d’avoir élucidé le rôle de tous les éléments présents au sein du système et de son complexe chargé de l’oxydation de l’eau. 

Dans ces études, « nous essayons de prendre une partie de la nature et de concevoir un modèle afin de comprendre comment fonctionne la relation entre la structure et l’activité », détaille Ally Aukauloo. Dans le cadre d’une thèse récemment achevée, l’équipe s’intéresse ainsi à la façon dont les molécules d’eau sont captées et dirigées au sein du site catalytique. « Nous avons testé une porphyrine [une molécule à structure cyclique] qui parvient à confiner les molécules d’eau au niveau du catalyseur pour qu’elles soient ensuite oxydées. Dans la nature, il existe des canaux d’eau qui font une chose similaire. » Une autre difficulté réside dans les ingrédients que la nature a sélectionnés. Pour oxyder l’eau, le Centre de dégagement d’oxygène (CDO) du PS II utilise du manganèse qui est l’un des métaux les plus abondants dans la croûte terrestre. « Mais pour nous chimistes, le manganèse est très difficile à contrôler. » À la place, « nous développons une technologie à base d’iridium, qui a le défaut d’être l’un des métaux les moins abondants sur Terre. »

L’équipe de l’ICMMO se heurte à  des défis similaires pour reproduire les processus en jeu dans la seconde phase de la photosynthèse. La réduction du CO₂ est une réaction qui demande beaucoup d’énergie et fait appel à des enzymes dont on commence à peine à comprendre le fonctionnement. « Nous cherchons des catalyseurs qui empruntent les principes de ces enzymes pour accéder à la transformation du CO₂ plus rapidement, sans perdre en efficacité. » Une piste prometteuse est notamment apparue avec des catalyseurs bio-inspirés de type porphyrine de fer. S’inspirer de la nature plutôt que la reproduire, la photosynthèse artificielle en est une bonne illustration. « Si l’on fait du biomimétisme, ça ne fonctionne pas toujours. C’est pourquoi on préfère prendre des leçons de la nature. Notre objectif est de faire des modèles simples en s’inspirant des choses très compliquées que la nature a créées », résume Ally Aukauloo.

La résistance d’une éponge des abysses

Au laboratoire Fluides, automatique et systèmes thermiques (FAST – Univ. Paris-Saclay/CNRS), c’est dans les abysses que des scientifiques puisent leur source d’inspiration. Euplectella aspergillum est une espèce d’éponge évoluant dans l’océan Pacifique, à des profondeurs généralement situées entre 200 et 1 000 mètres. D’une taille comprise entre dix et trente centimètres, elle ressemble à un tube de dentelle dressé à la verticale et ondulant sous l’effet des courants océaniques. Difficile d’imaginer que l’animal fait preuve d’une résistance hors normes. Et pourtant. « Cette éponge est composée à environ 99 % de silice biogénique, intrinsèquement fragile à l’échelle du matériau », précise Lamine Hattali, enseignant-chercheur au laboratoire FAST. Les profondeurs océaniques sont un milieu où règnent des conditions très éprouvantes. Or, l’éponge y survit très bien. Elle constitue même un refuge nourricier pour de petites crevettes avec qui elle vit en symbiose, ce qui lui vaut son surnom de « panier de fleurs de Vénus ». Comment l’éponge résiste-t-elle ? « Nous avons compris que cela ne vient pas du matériau mais de la structure de l’éponge. »

Euplectella aspergillum a la particularité de présenter une morphologie complexe digne d’une poupée russe. En observant l’espèce sous toutes ses coutures, des biologistes ont mis en évidence une structure multiéchelle qui s’étend sur sept niveaux. « À l’échelle macroscopique, on observe une simple grille. Quand on regarde à l’intérieur, on voit que la grille est constituée de poutres. En faisant une section transverse d’une poutre, on constate qu’elle est faite de plusieurs filaments. Puis, en faisant une coupe du filament, on observe qu’il forme une imbrication de plusieurs tubes », décrit Lamine Hattali. En regardant d’encore plus près, des nanoparticules de silice apparaissent, avant de laisser place, à l’échelle atomique, à des liaisons silicium-oxygène. 

C’est en lisant un article sur des structures inspirées du squelette des éponges que l’enseignant-chercheur a commencé à s’intéresser au cas d’E. aspergillum. « L’idée était de voir s’il y avait quelque chose à exploiter dans cette éponge pour fabriquer des matériaux capables d’absorber l’énergie mécanique en cas de choc, d’impact ou de compression. » Pour le savoir, l’équipe du laboratoire FAST concentre ses recherches sur l’échelle macroscopique du squelette. La grille est « comme une table d’échecs » : elle est formée d’un assemblage de cellules carrées, ouvertes ou fermées par une double diagonale. Grâce à un logiciel de conception assistée par ordinateur, les scientifiques modélisent différentes structures de ce type, en faisant varier leur densité. En laboratoire, celles-ci sont ensuite imprimées en trois dimensions, en utilisant de l’acide polylactique (PLA) et une technique de fabrication additive, le dépôt de filament.

L’étape suivante consiste à caractériser les propriétés mécaniques des structures, en faisant des tests de compression. « À l’aide de ces tests, on observe les comportements de chaque structure. Ce qui nous intéresse est la phase en plateau qui correspond à celle où l’énergie est absorbée. » À force d’essais, l’équipe parvient à définir des règles pour concevoir des structures atteignant une capacité d’absorption 20 % supérieure à celle d’autres matériaux connus pour leur résistance. Désormais brevetées, ces règles de conception ont ouvert la voie à plusieurs idées d’applications, notamment le développement de protections individuelles telles que des casques de vélo ou de moto. 

« Nos structures lattices [en treillis] ont l’avantage d’absorber les chocs, tout en restant légères », argumente l’enseignant-chercheur. « Grâce à la fabrication additive, on a également la possibilité de personnaliser les équipements, ce qui ajoute un aspect esthétique.» De la même façon, l’équipe propose une solution pour remplacer une partie des pare-chocs de voiture appelée traverse et généralement fabriquée en acier massif. En plus de fournir de meilleures performances de résistance, ce remplacement aurait le bénéfice de réduire le poids des véhicules. Toutefois, « cela reste spéculatif. Pour l’instant, nous n’avons fait que des tests de compression à faible vitesse. Il faudrait faire des tests dynamiques de chocs à plus grande vitesse », concède Lamine Hattali. 

Si l’échelle macroscopique a déjà démontré des performances intéressantes, l’équipe projette d’aller plus loin dans le squelette d’E. aspergillum. Après la grille et ses cellules, de prochaines recherches vont consister à explorer les poutres et leurs cylindres imbriqués dont l’épaisseur varie entre le centre et la périphérie. « L’objectif est de tester les poutres et de comprendre la variation d’épaisseur. Puis nous allons tester différentes configurations et essayer de les insérer dans la structure macroscopique. À terme, nous voulons créer un matériau multiéchelle qui soit résistant à l’endommagement.» 

Qu’il s’agisse de résister aux chocs, d’oxygéner du sang ou de recycler le CO₂, le biomimétisme et la bio-inspiration offrent aux scientifiques un cadre de recherche des plus fertiles, où l’observation de la nature devient une source de solutions éprouvées par des millions d’années d’évolution. En plus d’ouvrir la voie vers de nouvelles manières de penser l’énergie, cette démarche repositionne le vivant, pas seulement comme une ressource, mais comme un modèle innovant pour relever des défis scientifiques, technologiques ou environnementaux.

Références :

• Exposition L'énergie du vivant à découvrir au Lumen du 9 février au 12 avril 2026 : https://www.designspot.fr/evenements/lenergie-du-vivant
• Lachaux et al., A compact integrated microfluidic oxygenator with high gas exchange efficiency and compatibility for long-lasting endothelialization, Lab on a Chip, 2021.
• Sheth et al., Proton Domino Reactions at an Imidazole Relay Control the Oxidation of a TyrZ-His190 Artificial Mimic of Photosystem II, Chemistry - A European Journal, 2024.
• Fernandes et al., Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges, Nature Materials, 2021.