Quand Microsoft s’est inspiré de la biologie humaine pour refroidir l’IA

En 2024, Microsoft a testé avec succès un système de refroidissement microfluidique pour puces d’IA, capable d’évacuer la chaleur jusqu’à trois fois plus efficacement que les plaques froides, une technologie de refroidissement avancée couramment utilisée aujourd’hui.

Le système utilise de minuscules canaux gravés directement dans la puce en silicium, créant des rainures qui permettent au liquide de refroidissement de circuler directement sur la puce. Une approche qui amène le liquide à l’intérieur même du silicium, là où la chaleur est générée.

Le design intègre des motifs inspirés des veines des feuilles et des ailes de papillons, permettant une distribution plus efficace des fluides.

Cette approche biologique d’un problème technique crucial illustre ce que le biomimétisme peut accomplir.

Bienvenue dans la discipline où les réponses à nos défis techniques les plus pressants ont été affinées au fil de milliards d’années d’évolution biologique.

Que signifie vraiment le biomimétisme ?

En 2015, pour structurer davantage ce domaine émergent, un comité d’experts ISO a défini de manière stricte les termes les plus courants et souvent confondus : bio-inspiration, bionique, biomimétisme et biomimétique [ISO/TC266, 2015].

• Bionique : capacité à s’inspirer des êtres vivants pour remplacer ou améliorer une fonction biologique via la robotique.
• Biomimétisme : domaine philosophique visant à apprendre des êtres vivants pour concevoir de manière plus durable. L’idée principale est de reconnecter nos stratégies d’innovation et nos attentes avec les règles fondamentales imposées par notre monde fini, son équilibre inorganique délicat et les écosystèmes sensibles qu’il abrite.
• Biomimétique : aspect méthodologique lié au biomimétisme, crucial pour la diffusion et l’application de ces nouvelles pratiques. Définie comme « la coopération interdisciplinaire entre biologie et technologie ou d’autres champs de l’innovation afin de résoudre des problèmes pratiques par l’analyse des fonctions des systèmes biologiques, leur abstraction en modèles et leur transfert pour application ».

Chez Asteria, nous n’utilisons le terme biomimétisme que lorsqu’il est associé à son pendant méthodologique, la biomimétique. Dans ce contexte, le biomimétisme désigne l’étude disciplinée des stratégies inspirées de la nature et leur application à des défis humains de manière durable.

Biomimétisme, du grec bios (vie) et mimesis (imitation).

Le véritable biomimétisme exige une précision scientifique, et non une esthétique superficielle :

1. Observation approfondie des systèmes biologiques : quels sont les faits biologiques ? Quelles sont les structures, comportements, organisations ou matériaux observables dans le vivant ?
2. Abstraction des mécanismes sous-jacents : comment fonctionnent ces mécanismes biologiques et selon quelles règles scientifiques ? Comment généraliser ces règles pour formaliser des principes de fonctionnement et de conception, souvent appelés « stratégies inspirées du vivant » ?
3. Traduction en technologies et services humains fonctionnels : comment ces principes et modèles scientifiques peuvent être appliqués et adaptés aux contraintes spécifiques d’un projet innovant pour générer des solutions biomimétiques.
4. Validation de l'efficacité fonctionnelle, de la durabilité et du potentiel régénératif.

Janine Benyus a formalisé cette approche dans son ouvrage fondateur publié en 1997 Biomimicry: Innovation Inspired by Nature.

Depuis, le domaine est passé de l’inspiration à la discipline, reliant biologie, science des matériaux, ingénierie et pensée systémique. Des institutions académiques prestigieuses comme le Fraunhofer Institute, Georgia Tech, MIT, Stanford, Berkeley, Oxford, le Muséum national d’Histoire naturelle, Centrale Lyon ou l’École Polytechnique ont contribué au développement des technologies et connaissances biomimétiques.

La point clé ? Observer le vivant ne fournit pas seulement de belles métaphores. Cela révèle des mécanismes biologiques sélectionnés par le test ultime : la sélection naturelle.

*Comme le soulignent de nombreux groupes de recherche, dont les experts du MNHN, il faut être prudent sur la sémantique. Le risque est d’attribuer une intention au vivant qui n’existe pas. Les stratégies en biomimétique sont « inspirées » par la nature, elles ne sont pas des stratégies biologiques réelles. La distinction est subtile mais essentielle : l’homme s’inspire de ce qu’il observe ; la nature ne poursuit aucun but.

D’où provient la robustesse des solutions inspirées de la nature ?

Tous les organismes subissent en permanence des contraintes, qu’elles soient biologiques (prédateurs, parasites, concurrents...) ou physiques et chimiques (température, pression, habitat...).

Ensemble, ces facteurs créent ce que nous appelons la pression évolutive. Les organismes mieux adaptés survivent, se reproduisent et transmettent leurs traits.

Cette « pression » façonne l'évolution des populations en favorisant les traits qui augmentent la condition physique, la capacité à survivre et à transmettre ses gènes, tout en réduisant la présence de traits désavantageux.

Au fil du temps, ce double processus conduit à l'adaptation des populations.

Plus une population est exposée longtemps à une contrainte donnée, plus elle s'adapte, pour finalement atteindre un mécanisme « suffisamment efficace » qui lui permet de fonctionner et de persister dans ces conditions.

De ce point de vue, le monde vivant peut être considéré comme un vaste réservoir de mécanismes qui ont subi une pression évolutive continue.

Ces mécanismes peuvent inspirer les humains à résoudre des problèmes de manière similaire.

Il est toutefois important de garder à l'esprit que les organismes actuels sont adaptés aux conditions actuelles. Une grande partie de la biodiversité passée a disparu non pas parce qu'elle était moins adaptée en général, mais parce qu'elle n'était pas adaptée aux conditions environnementales qui existent aujourd'hui.

Dans ce contexte, ce qui est particulièrement intéressant pour le biomimétisme, ce sont les points communs qui existent entre divers organismes issus d'espèces très éloignées. Ces convergences évolutives nous permettent de comprendre comment les êtres vivants se sont adaptés aux contraintes transversales de la vie sur Terre.

Parmi d'autres principes inspirés du vivant :

• Dégradabilité des systèmes biologiques en leurs composants moléculaires, permettant une disponibilité continue grâce aux cycles des matériaux.
• La fabrication additive, qui consiste à assembler des blocs de construction uniquement lorsque cela est nécessaire, ce qui, selon notre hypothèse, constitue un avantage en termes de réduction des besoins en ressources.
• Multifonctionnalité des structures, que l'on peut également considérer comme un avantage dans la réduction des besoins en ressources.
• Des matériaux d'origine locale, car c'est tout simplement ce qui est disponible dans l'environnement où ils ont évolué.
• Utilisation de mécanismes passifs lorsque cela est possible afin de réduire les besoins énergétiques.

Pourquoi les solutions biomimétiques sont considérées comme durables

Comme nous l'avons vu précédemment, les espèces biologiques évoluent pour survivre et prospérer dans les limites imposées par leur environnement. Ces limites comprennent la disponibilité des ressources et les conditions physico-chimiques dans lesquelles elles vivent.

Dans la plupart des cas, les organismes n'ont pas accès à de grandes quantités de métaux rares, à des pressions ou des températures extrêmes, ni à d'énormes quantités d'énergie.

En conséquence, les fonctions biologiques apparaissent souvent par le biais de mécanismes qui nécessitent intrinsèquement un minimum de matériaux ou des matériaux courants et une faible dépense énergétique.

De même, les systèmes biologiques ont tendance à être composés de matériaux facilement disponibles dans leur environnement et souvent biodégradables, ce qui permet la redistribution des matériaux.

Ensemble, ces contraintes ont façonné les processus évolutifs afin de favoriser les solutions qui fonctionnent efficacement dans des conditions à faible impact et à ressources limitées, souvent en contraste flagrant avec de nombreuses technologies conçues par l'homme, qui reposent sur des matériaux rares et des apports énergétiques élevés.

Il est important de noter que les mécanismes bio-inspirés ne sont pas intrinsèquement durables (contrairement aux mécanismes biologiques).

Les récifs coralliens forment des structures complexes sans produire de sous-produits toxiques.

Les termitières maintiennent une température interne stable sans apport d'énergie externe.

Les ailes des papillons tirent leur couleur de la nanostructure de la chitine plutôt que de pigments minéraux ou métalliques.

Les pommes de pin s'ouvrent passivement sous l'effet des fluctuations hydrométriques.

Ce ne sont là que quelques exemples de systèmes biologiques qui accomplissent des fonctions remarquables grâce à l'utilisation efficace des ressources disponibles localement.

Alors que les systèmes biologiques ont évolué pour fonctionner avec un impact minimal sur l'environnement, ce sont les humains qui choisissent comment mettre en œuvre ces idées.

Il incombe aux innovateurs d'appliquer des solutions bio-inspirées utilisant des matériaux et des processus durables afin de garantir des résultats à faible impact environnemental.

S’inspirer de la biologie

Le biomimétisme fonctionne simultanément dans plusieurs dimensions. Les ingénieurs et les concepteurs peuvent s'inspirer des systèmes biologiques en fonction de leurs :

• Forme : Le bec du martin-pêcheur a inspiré la conception du nez du train à grande vitesse Shinkansen. Cette forme a permis à la série 500 de réduire la pression atmosphérique de 30 % et la consommation d'électricité de 15 %, alors que la vitesse a augmenté de 10 % par rapport à la série précédente.
• Process : La pomme de pin s'ouvre passivement sous l'effet des fluctuations hydrométriques, ce qui conduit à la création de nouveaux matériaux passifs déployables pour l'espace ou l'aéronautique.
• Matériau : la soie d'araignée est plus résistante que le Kevlar pour un poids équivalent, et elle se forme à température ambiante à partir de protéines à base d'eau uniquement.
• Comportement : les colonies de fourmis résolvent des problèmes logistiques complexes grâce à des règles individuelles simples, désormais appliquées dans les algorithmes d'optimisation.
• Organisation d'écosystème : les forêts partagent leurs nutriments grâce à des réseaux fongiques, créant ainsi une résilience fondée sur la coopération plutôt que sur la concurrence.

La plupart des avancées biomimétiques surviennent lorsque les innovateurs réfléchissent simultanément à toutes ces dimensions.

Applications actuelles du biomimétisme

Bâtiment : les systèmes de refroidissement passif inspirés des termitières peuvent réduire considérablement la consommation énergétique des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation, comme l'a démontré Michael Pawlin dans le centre Eastgate.

Médecine : les pompes cardiaques telles que celles conçues par CorWave, inspirées des systèmes biologiques ondulatoires, visent à réduire les complications et à mieux préserver l'intégrité du sang en fournissant un flux pulsatile plus proche de celui du cœur naturel.

Énergie : les pales d'éoliennes dotées de tubercules (bosses) inspirées des nageoires des baleines à bosse ont démontré un gain d'efficacité d'environ 20% lorsqu'elles sont utilisées sur des éoliennes. Des tests ont montré que l'intégration de tubercules pouvait augmenter la portance maximale d'une aile tout en retardant le décrochage à des angles d'attaque élevés jusqu'à 40%.

Cosmétique : poudre colorante sans pigment ni minéral, inspirée des nanostructures à la surface des ailes du papillon morpho, Sparxell fabrique la première couleur structurelle composée à 100% de cristaux de cellulose.

Centres de données : le refroidissement microfluidique de Microsoft a réduit l'augmentation maximale de température du silicium des GPU de 65% (varie selon le type de puce).

Processus et pratique du biomimétisme

Trois approches biomimétiques principales peuvent être envisagées : l'approche basée sur les solutions, celle basée sur les organismes et la dernière axée sur les problèmes.

Une approche "solutions" commence par un modèle biologique qui semble présenter un grand intérêt pour l'exécution d'une fonction donnée. Les praticiens utilisent ensuite le processus suivant :

1. Analyse biologique : comprendre en profondeur la solution fonctionnelle biologique et son fonctionnement.
2. Extraction des principes : résumer les mécanismes dans un modèle qui explique comment la fonction apparaît, grâce à quelles lois scientifiques et dans quelles conditions de fonctionnement.
3. Prospection technologique : identifier, à travers des entretiens et des études de marché, les défis qui pourraient tirer le meilleur parti de ces stratégies fonctionnelles.
4. Émulation : traduire la biologie en ingénierie à travers plusieurs étapes créatives et l'adaptation des solutions biomimétiques au contexte technologique initial.
5. Prototyping & Evaluation: Build prototypes of biomimetic concepts. These can be digital, such as 3D models, or physical. Their purpose is to evaluate the concept through simulations or user testing. Assess both performance and sustainability.
6. Passage à l'échelle : affinez les concepts afin qu'ils correspondent aux matériaux industriels, aux processus de fabrication et aux exigences des fournisseurs.

Une approche "organisme" est assez similaire à l'approche basée sur la solution, à la différence près que vous ne savez pas quel système et quelle fonction imiter à partir de l'organisme donné.

Cette approche est souvent utilisée par les industries cosmétiques qui ont accès à des ressources biologiques spécifiques, mais ne savent pas comment s'en inspirer :

1. Analyse fonctionnelle : définissez toutes les fonctions associées à un système biologique donné.
2. Prospection technologique : utilisez des entretiens et des études de marché pour identifier les défis qui pourraient bénéficier de la gamme de fonctions identifiées, puis sélectionnez-en un pour l'étudier plus en détail.
3. Extraction des principes : transformez les mécanismes en un modèle abstrait qui explique comment la fonction émerge, quelles lois scientifiques la régissent et dans quelles conditions de fonctionnement elle opère.
4. Émulation : traduisez les connaissances biologiques en solutions techniques grâce à des étapes créatives itératives, en adaptant chaque idée biomimétique au contexte technologique cible.
5. Prototyping & Evaluation: Build prototypes of biomimetic concepts. These can be digital, such as 3D models, or physical. Their purpose is to evaluate the concept through simulations or user testing. Assess both performance and sustainability.
6. Passage à l'échelle : affinez les concepts afin qu'ils correspondent aux matériaux industriels, aux processus de fabrication et aux exigences des fournisseurs.

Lancer un projet d'innovation biomimétique axé sur les problèmes revient à adopter une approche fondée sur les solutions, à deux différences près : vous démarrez le projet avec un défi industriel que vous souhaitez relever, mais vous ne savez pas encore quel modèle biologique inspirera la solution.

En conséquence, le processus évolue de la manière suivante :

1. Définition du challenge : définissez votre problème et effectuez une analyse approfondie afin de bien comprendre les besoins à satisfaire et les défis technologiques à relever.
2. Recherche biologique : identifiez les systèmes biologiques qui apportent des solutions à vos défis.
3. Extraction des principes : transformez les mécanismes en un modèle abstrait qui explique comment la fonction émerge, quelles lois scientifiques la régissent et dans quelles conditions de fonctionnement elle opère.
4. Émulation : traduisez les connaissances biologiques en solutions techniques grâce à des étapes créatives itératives, en adaptant chaque idée biomimétique au contexte technologique cible.
5. Prototyping & Evaluation: Build prototypes of biomimetic concepts. These can be digital, such as 3D models, or physical. Their purpose is to evaluate the concept through simulations or user testing. Assess both performance and sustainability.
6. Passage à l'échelle : affinez les concepts afin qu'ils correspondent aux matériaux industriels, aux processus de fabrication et aux exigences des fournisseurs.

Comment Asteria soutient le biomimétisme ?

Chez Asteria, nous construisons l'infrastructure qui soutient les équipes tout au long de ces différents processus :

• Les différentes étapes méthodologiques sont intégrées dans le flux utilisateur afin de guider les praticiens en fonction de leurs besoins.
• La plus grande base de données scientifique et industrielle dédiée à l'innovation inspirée par la nature, avec plus de 4 millions d'articles, 680.000 stratégies biologiques et 220.000 brevets bio-inspirés.
• Une base de données de technologies, matériaux et procédés biomimétiques pour soutenir le développement concret.

Nous donnons aux innovateurs la possibilité d'explorer les connaissances biologiques à la vitesse de l'innovation.

C'est le changement que nous rendons possible : passer du biomimétisme en tant que spécialité de niche au biomimétisme en tant que méthodologie d'innovation standard.

L’avenir est déjà là

Le biomimétisme n'est pas nouveau, mais son urgence l'est. Les bouleversements climatiques, la perte de biodiversité et la raréfaction des ressources sont en train de remodeler les marchés, les réglementations et les attentes.

Pour la première fois, il existe des outils permettant à tout innovateur, où qu'il se trouve et quel que soit le défi qu'il relève, d'accéder à une intelligence inspirée de la biologie.

En ce moment même, quelque part, un architecte s'inspire d'une termitière pour apprendre à éliminer le besoin de climatisation. Un chirurgien observe une moule pour comprendre comment réparer des tissus sous l'eau. Un responsable logistique découvre, à travers l'exemple d'une forêt, comment la décentralisation crée de la résilience.

La nature résout vos problèmes depuis des millénaires.

Êtes-vous prêt à apprendre ?

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