\u00abMimer la nature s\u2019av\u00e8re particuli\u00e8rement utile lorsque l\u2019on n\u2019arrive \u00e0 aucune solution autrement\u00bb, pr\u00e9cise Dominique Pioletti, directeur du laboratoire de biom\u00e9canique en orthop\u00e9die (LBO) de l\u2019EPFL. En collaboration avec Pierre-\u00c9tienne Bourban, du laboratoire de mise en \u0153uvre de composites \u00e0 haute performance (LPAC), il d\u00e9veloppe des implants bio-compatibles copiant la structure du cartilage. \u00abContrairement \u00e0 l\u2019os, le cartilage n\u2019est pas du tout vascularis\u00e9, ce qui rend sa gu\u00e9rison d\u2019autant plus difficile\u00bb, d\u00e9taille Dominique Pioletti.<\/p>\n
Il n\u2019existe pour l\u2019instant que deux traitements contre l\u2019usure du cartilage articulaire, situ\u00e9 aux extr\u00e9mit\u00e9s des os longs: la r\u00e9injection de cellules cultiv\u00e9es in vitro \u00e0 partir de tissu cartilagineux sain, d\u2019une part, et la r\u00e9alisation de micro-fractures dans la partie osseuse sous-jacente, pour mettre en contact des cellules souches et sanguines avec le cartilage d\u00e9g\u00e9n\u00e9r\u00e9, d\u2019autre part.<\/p>\n
\u00abOn a choisi l\u2019approche biomim\u00e9tique, car les deux moyens th\u00e9rapeutiques existants ne procurent pas de r\u00e9sultats satisfaisants.\u00bb Avec son \u00e9quipe, le chercheur s\u2019est ainsi donn\u00e9 pour mission de synth\u00e9tiser des matrices poreuses qui reproduiraient les propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques respectives des trois zones du cartilage: un tissu mou en surface pour favoriser le glissement entre les os, une zone m\u00e9diane plus dure permettant au tissu cartilagineux de supporter de lourdes charges et enfin, un r\u00e9seau de fibres encore plus rigide dans la r\u00e9gion profonde, afin d\u2019ancrer le cartilage \u00e0 l\u2019os.<\/p>\n
\u00abPlus on augmente la densit\u00e9 fibreuse, plus on accro\u00eet la r\u00e9sistance du tissu, remarque Dominique Pioletti. Dans un premier temps, on utilise un principe similaire \u00e0 l\u2019impression 3D pour superposer des fibres, tout en veillant \u00e0 changer leur densit\u00e9 \u2013 l\u2019id\u00e9e et le d\u00e9fi \u00e9tant de reproduire la variation m\u00e9canique du cartilage naturel. Dans un second temps, on ajoute des cellules sp\u00e9cialis\u00e9es, appel\u00e9es chondrocytes, pour que la matrice ressemble vraiment \u00e0 la structure du cartilage naturel et qu\u2019elle puisse ainsi se r\u00e9sorber une fois la gu\u00e9rison stimul\u00e9e.\u00bb<\/p>\n
Si les deux associ\u00e9s ont d\u00e9j\u00e0 obtenu des r\u00e9sultats prometteurs sur des mod\u00e8les exp\u00e9rimentaux, leur cartilage biomim\u00e9tique doit encore passer de nombreux tests avant de pouvoir \u00eatre implant\u00e9 un jour sur des patients.<\/p>\n
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Quand la robotique s\u2019allie \u00e0 la biologie <\/strong><\/p>\n Le biomim\u00e9tisme ne se limite toutefois pas \u00e0 la reproduction de structures biologiques. La chercheuse Jamie Paik, directrice du laboratoire de robotique reconfigurable (RRL) de l\u2019EPFL, applique cette m\u00eame philosophie pour imiter, plus que reproduire \u00e0 proprement parler, des ph\u00e9nom\u00e8nes naturels. \u00abJe consacre une partie de mes recherches au d\u00e9veloppement de robots mous en caoutchouc, qui imitent la fonction des muscles humains, sans pour autant en avoir l\u2019apparence, explique-t-elle. Le robot doit pouvoir suivre les mouvements naturels du corps, ne pas \u00eatre d\u00e9sagr\u00e9able \u00e0 porter et, \u00e0 la fois, \u00eatre suffisamment rigide pour g\u00e9n\u00e9rer un minimum de force. Il faut donc ma\u00eetriser la biom\u00e9canique des muscles pour trouver cet \u00e9quilibre entre mollesse et rigidit\u00e9.\u00bb<\/p>\n \u00c0 l\u2019instar des muscles, qui fonctionnent comme des ballons remplis de sang, ces robots mous, en forme de tubes allong\u00e9s contenant de l\u2019air, se dilatent et changent de direction en fonction de la pression exerc\u00e9e. Une fois perfectionn\u00e9e, cette technologie pourrait notamment \u00eatre utilis\u00e9e dans la r\u00e9gion des muscles obliques et du bas du dos pour aider les personnes souffrant de raideurs.<\/p>\n \u00abLes ing\u00e9nieurs peuvent aussi s\u2019inspirer de la nature dans l\u2019optique de la d\u00e9crypter puis de l\u2019am\u00e9liorer\u00bb, remarque Selman Sakar, directeur du laboratoire des syst\u00e8mes micro-bio-robotiques (MICROBS) de l\u2019EPFL. Selman Sakar travaille justement \u00e0 l\u2019\u00e9laboration de robots microscopiques mimant les mouvements et les propri\u00e9t\u00e9s des micro-organismes et des cellules eucaryotes, dans le but de les faire interagir avec l\u2019environnement cellulaire et de comprendre comment les cellules communiquent par signaux m\u00e9caniques. \u00abQuels stimuli engendrent la formation de tissus? Qu\u2019est-ce qui dysfonctionne en cas de maladie? Et comment peut-on stimuler la r\u00e9g\u00e9n\u00e9ration cellulaire? Voil\u00e0 le genre de questions auxquelles nos machines biomim\u00e9tiques pourraient apporter des r\u00e9ponses\u00bb, explique le roboticien.<\/p>\n Le biomim\u00e9tisme invite donc parfois \u00e0 reproduire la nature le plus exactement possible, \u00e0 imiter l\u2019un de ses m\u00e9canismes, ou simplement \u00e0 mieux la comprendre dans le but d\u2019optimiser certains de ses proc\u00e9d\u00e9s, portant un message id\u00e9ologique fort: \u00abLe biomim\u00e9tisme nous aide en effet \u00e0 trouver des solutions \u00e0 nos probl\u00e8mes en travaillant avec la nature et non plus en nous distinguant d\u2019elle\u00bb, r\u00e9sume la biologiste Darja Dubravcic.<\/p>\n _______<\/p>\n UNE PHILOSOPHIE INTEMPORELLE\u00a0 Le terme \u00abbiomim\u00e9tisme\u00bb, du grec \u00abbios\u00bb vie et \u00abmim\u00e8sis\u00bb imitation, est apparu pour la premi\u00e8re fois en 1969, dans un article du biophysicien am\u00e9ricain Otto H. Schmitt. Dans le secteur de la sant\u00e9, il s\u2019agit pourtant d\u2019une pratique qui s\u2019est d\u00e9velopp\u00e9e sur trois niveaux, depuis l\u2019Antiquit\u00e9:<\/p>\n Biomim\u00e9tisme formel<\/strong><\/p>\n Les \u00c9gyptiens d\u00e9j\u00e0 cherchaient \u00e0 imiter les formes de la nature pour innover dans le monde m\u00e9dical. Les premi\u00e8res proth\u00e8ses identifi\u00e9es comme fonctionnelles dateraient d\u2019il y a presque 3’000 ans. Fabriqu\u00e9es en bois, elles servaient de substitut au gros orteil.<\/p>\n Biomim\u00e9tisme fonctionnel<\/strong><\/p>\n Gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019av\u00e8nement des micro- et nanotechnologies, les scientifiques peuvent d\u00e9sormais se focaliser sur la fonction. En 2015, une \u00e9quipe su\u00e9doise a con\u00e7u le premier prototype d\u2019un neurone biomim\u00e9tique, consistant en une pompe \u00e0 ions et un biocapteur artificiels, reli\u00e9s par un fil \u00e9lectrique qui pourrait aider les patients atteints de maladies neurod\u00e9g\u00e9n\u00e9ratives.<\/p>\n Biomim\u00e9tisme syst\u00e9mique<\/strong><\/p>\n L\u2019\u00e9tude des syst\u00e8mes reste un volet important du biomim\u00e9tisme. Depuis les ann\u00e9es 1960, ing\u00e9nieurs et biologistes essaient de d\u00e9velopper des exosquelettes imitant le syst\u00e8me nerveux humain, pour aider les parapl\u00e9giques \u00e0 marcher \u00e0 nouveau.<\/p>\n _______<\/p>\n NAGER COMME UN POISSON, VOLER COMME UN OISEAU Plantes, insectes ou oiseaux inspirent de longue date les chercheurs. Revue de quelques projets embl\u00e9matiques.<\/p>\n Ailes d’oiseau<\/strong> Grande bardane<\/strong> Peau de requin<\/strong> Termiti\u00e8res africaines<\/strong> Chauve-souris<\/strong> _______<\/p>\n Une version de cet article est parue dans In Vivo Magazine (n\u00b013).<\/p>\n
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\nEn 1903, les Am\u00e9ricains Orville et Wilbur Wright effectuent le premier vol \u00e0 bord d\u2019un avion motoris\u00e9. Le syst\u00e8me de contr\u00f4le de leur engin s\u2019inspire de la mani\u00e8re dont les oiseaux utilisent les courants d\u2019air pour gagner de l\u2019altitude.<\/p>\n
\nRentr\u00e9 d\u2019une partie de chasse, l\u2019ing\u00e9nieur suisse George de Mestral remarque que les \u00e9pines des fruits de bardane qui se sont accroch\u00e9s \u00e0 ses v\u00eatements sont munies de petits crochets \u00e9lastiques. En 1955, il en con\u00e7oit le syst\u00e8me de fermeture auto-agrippant \u00abVelcro\u00bb.<\/p>\n
\nLa peau de requin est compos\u00e9e de denticules dont la forme emp\u00eache la fixation de bact\u00e9ries ou de parasites. En 1986, l\u2019entreprise 3M et la NASA en tirent un rev\u00eatement qui permet d\u2019am\u00e9liorer l\u2019a\u00e9rodynamisme des a\u00e9ronefs.<\/p>\n
\nInaugur\u00e9 en 1996, le complexe administratif et commercial Eastgate Centre \u00e0 Harare (Zimbabwe) pr\u00e9sente la particularit\u00e9 de ne pas poss\u00e9der de syst\u00e8me d\u2019air conditionn\u00e9 traditionnel. Son architecte a imagin\u00e9 un syst\u00e8me de r\u00e9gulation de la chaleur bas\u00e9 sur les termiti\u00e8res.<\/p>\n
\nCes animaux nocturnes utilisent l\u2019\u00e9cholocation pour s\u2019orienter dans l\u2019obscurit\u00e9. Des chercheurs de l\u2019Universit\u00e9 de Wake Forest, en Caroline du Nord, d\u00e9veloppent depuis 2014 un syst\u00e8me de navigation similaire, pour permettre \u00e0 terme aux personnes aveugles de se d\u00e9placer plus facilement.<\/p>\n