Donald Ingber

Ingénierie bio-inspirée

Butterfly Wing Purple. Cliché des écailles d'une aile de papillon
pris au microscope électronique de balayage (MEB).
Wyss Institute, Harvard

Si le paradigme du vivant bouscule notre vision du monde et la façon dont nous souhaitons nous inscrire dans celui-ci, il constitue également une source d’inspiration pour nos modes de conception. Donald Ingber, directeur du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering d’Harvard, explique ainsi que la connaissance du vivant est devenue telle que nous sommes désormais capables de développer des innovations en ingénierie inspirée de principe biologiques. Afin d’explorer le futur de la bio-ingénierie, L’Institut a été conçu autour d’un ensemble de chercheurs issus de champs disciplinaires variés, mais aussi d’acteurs du monde de l’entreprise pour croiser les approches et méthodes. Partant de principes généraux du vivant pour les appliquer selon les principes de l’ingénierie à la résolution de problèmes, ce travail relève davantage de la bio-inspiration que du biomimétisme. Pour l’architecture, il s’agirait de s’inspirer de la façon hiérarchique dont construit la nature, selon des processus métabolique et ouvert d’évolution par auto-organisation.

Pourriez-vous commencer par nous présenter vos activités ?

Je suis à la tête du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering à Harvard. L’institut a été fondé il y a huit ans et demi à partir du concept de base suivant : au cours des cinquante dernières années, l’ingénierie a transformé le monde en appliquant ses principes et méthodes à la résolution de problèmes dans de nombreux autres champs, notamment la médecine, l’industrie et l’architecture. Nous pensons que nous en savons désormais suffisamment sur la façon dont la nature bâtit, contrôle et fabrique à toutes les échelles depuis le nano pour mettre à profit des principes biologiques et développer des innovations d’ingénierie pour différents types d’applications. C’est ce que nous appelons l’ingénierie bio-inspirée. Il ne s’agit pas d’ingénierie biomédicale mais bien de quelque chose réellement nouveau.

 

Vous êtes ainsi passé de l’étude des principes d’ingénierie pour comprendre la biologie à une démarche symétriquement inverse ?

En médecine, la plupart des gens connaissent les gènes, les produits chimiques et les médicaments, mais les évolutions vraiment révolutionnaires de ces trente dernières années viennent de l’ingénierie – le cœur artificiel, les pacemakers, les implants cochléaires ou les systèmes de délivrance des médicaments, pour ne citer que quelques exemples simples. La création de l’Institut est née de la volonté d’Harvard d’explorer le futur de la bio-ingénierie. Même si j’ai d’abord étudié la médecine et la biologie, je me suis tourné vers la bio-ingénierie lorsque j’ai réalisé qu’il fallait chevaucher plusieurs disciplines pour résoudre des problèmes complexes. On m’a ainsi missionné pour lancer cet Institut, autour d’un important corps professoral venu de différents départements d’Harvard University et d’autres institutions de la région du Grand Boston. Leur point commun était cette prise de conscience que les frontières entre les systèmes vivants et non-vivants sont littéralement en train de s’effondrer. Je suis biologiste mais je publie dans des revues de physique, tandis que des chercheurs en informatique, des chimistes ou des physiciens publient dans des revues de biologie. De facto, les frontières sont en train de s’estomper. Buckminster Fuller disait que la nature n’a pas différents départements de chimie, de biologie, de physique ou d’art… C’est tout à fait juste, mais c’est de cette façon-là que nous sommes tous formés, partout dans le monde. Mais pour apporter de nouvelles solutions, il faut oublier sa discipline d’origine et aller au croisement de différents champs.

C’est l’essence même de ce que nous explorons avec le STREAM Lab. Nous voulons aller au-delà de ces divisions de la connaissance. Cela paraît d’autant plus crucial dans un contexte d’urgence et de controverse.

Oui, car nous sommes en train de « tuer la planète », comme on dit en Amérique.

Nous sommes vraiment en train de tuer la planète, il faut faire face à ce problème. Cela revêt une signification particulière dans notre domaine, étant donné que les trois quarts de la population mondiale vivront en ville en 2050. En tant qu’architectes, nous sommes spécialement concernés par cette situation. Je pense d’ailleurs que ce devrait être notre préoccupation prioritaire.

Lorsque nous avons lancé cet Institut, mon sentiment était que nous ne devions pas seulement nous intéresser à la médecine. Nous développons ainsi des innovations bio-inspirées pour relever d’importants défis dans des domaines non-médicaux, et notamment l’architecture, l’énergie, la production industrielle ou le développement durable. Cela m’a paru crucial car j’avais l’expérience de Molecular Geodesics Inc., une société que j’avais fondée à la fin des années 1990 autour de l’application de technologies d’impression 3D venues du prototypage rapide – développées par l’automobile et l’aéronautique – comme outil pour la fabrication de dispositifs médicaux et d’organes artificiels. Cela m’avait permis de réaliser que des matériaux industriels et des approches de fabrication architecturale étaient susceptibles de révolutionner la médecine, et vice versa.

Nous avons beaucoup à apprendre des éléments naturels, de la façon dont ils génèrent des formes…

L’auto-assemblage, Les systèmes auto-organisés, le contrôle autonome…

Mais aussi la résilience. Une bonne partie de ce que nous cherchons à obtenir par de nouvelles visions de la ville existe déjà dans le monde naturel, même s’il ne faut pas l’idéaliser parce que tout n’est pas parfait dans la nature.

Oui, il y a des choses que les êtres humains peuvent désormais faire plus efficacement que la nature, notamment la production à faible coût. La solution consiste à prendre le meilleur des deux mondes et de les combiner d’une manière qui soit véritablement impactante. Nous utilisons ainsi le terme « bio-inspiré » plutôt que celui de « biomimétisme » parce qu’il s’agit vraiment de s’inspirer de principes biologiques pour les appliquer à d’autres domaines : fusionner des matériaux biologiques – par exemple des cellules vivantes – avec des matériaux synthétiques, de la production en série ou la fabrication de circuits intégrés.

Ce que je trouve intéressant dans votre approche, c’est que vous passez rapidement de la recherche à l’action.

Il s’agit en effet d’un modèle nouveau. Nous avons recruté plus de quarante personnes venant de tous les secteurs imaginables, depuis l’industrie pharmaceutique ou la biotechnologie jusqu’au monde du tatouage. Quand on réunit des profils aussi variés dans une pièce et que l’on dit « Mon Dieu, j’ai un problème, comment construire une prothèse du genou dotée de telles et telles caractéristiques matérielles ? », la réponse peut venir d’un ingénieur qui a travaillé sur des réacteurs d’avion ou de quelqu’un qui a fabriqué des clubs de golf, du fait de leur connaissance des matériaux spécifiques à ces secteurs. C’est un contexte ou chacun fréquente aussi bien les étudiants que les chercheurs ou les professeurs, et le travail en commun se fait en toute simplicité.

Comment avez-vous développé cet institut ?

Cela s’est fait de manière organique.

Selon un processus organique ? C’est très intéressant pour nous parce que ça a aussi une dimension pratique.

Je décrirais cela comme un processus d’auto-organisation. Nous utilisons les principes bio-inspirés – nous auto-assemblons et construisons de manière hiérarchique. Tout a convergé vers un concept unique : utiliser des principes biologiques pour mettre au point des innovations en ingénierie. Sur le plan pratique, nous avons eu beaucoup de chance : nous avons pu démarrer avec la plus grosse donation de l’histoire d’Harvard à l’époque : 125 millions de dollars offerts par l’homme d’affaires Hansjörg Wyss. Son credo était celui-ci : « Je sais que les grandes entreprises sont douées pour le développement de produits, mais elles n’arrivent pas à innover » et d’un autre côté « les universitaires innovent mais ils ne font que publier des articles. » Il souhaitait donc voir une start-up au beau milieu du meilleur milieu universitaire du monde, en espérant obtenir des résultats concrets à très court terme. Lorque nous avons embauché quelques personnes du monde de l’industrie et qu’ils ont pu commencer à travailler avec les chercheurs de l’institut, nous avons vite perçu combien cette synergie était puissante. C’est alors devenu un système auto-organisé car les gens ont commencé à dire : « nous avons besoin de telle ou telle expertise ». Puis un autre chercheur, voyant les résultats, ajoutait : « j’aurais également besoin de quelqu’un de ce secteur », et cela s’est développé comme cela. Nous avons identifié des domaines spécifiques vers lesquels nous souhaitons nous engager, mais l’organisation générale s’est développée selon un modèle bottom-up. Nous avons des scientifiques, des ingénieurs et des étudiants si créatifs que nous n’arrivons pas à suivre le rythme en termes d’idées. Une espèce de sélection naturelle a donc lieu : les meilleures idées gagnent des soutiens et s’imposent, tandis que d’autres s’étiolent ou sont « mises au placard ». Le fonctionnement de l’Institut n’est pas très éloigné de celui d’une entreprise, parce que nous avons du savoir-faire, des ressources, mais aussi de fantastiques installations de prototypage et de fabrication. C’est un modèle encore singulier, que l’on ne retrouve nulle part ailleurs dans le monde universitaire.

Si j’en crois la manière dont vous décrivez les choses, votre façon de vous inspirer de la biologie pour progresser en ingénierie n’est pas tellement différente de ce que nous essayons de faire en architecture.

Absolument. Nous avons au sein de l’Institut des gens qui travaillent sur des matériaux dont la couleur artificielle peut changer à la manière des ailes de papillons non pas en raison de leurs propriétés chimiques ou de pigments mais grâce à des surfaces nano-structurées. Nous avons également des chercheurs qui étudient des revêtements de surface sur lesquels la glace n’accrocherait pas. Cela pourrait être utile dans le bâtiment – pour des questions de charge –, mais cela a également un incroyable potentiel du point de vue la durabilité et de l’efficacité énergétique des matériaux ; vous pourriez par exemple l’imaginer au sein d’unités frigorifiques. J’ai récemment travaillé sur un plastique biodégradable inspiré par des cuticules d’insecte qui a la même résistance que l’aluminium tout en pesant un huitième de son poids. Il pourrait remplacer le plastique et bien d’autres matériaux.

Ces idées passionnantes sont pourtant peu diffusées dans les milieux universitaires ou le monde de l’architecture…

Pas dans le milieu de l’architecture en effet, parce que c’est un milieu conservateur. Il y a le code du bâtiment, des questions de sécurité, et il nous est difficile voir comment commercialiser nos innovations étant donné les fortes contraintes de coût. Le monde de l’architecture ne compte pas une large communauté d’investisseurs en capital-risque. C’est délicat, mais je voyage un peu partout et je suis à l’écoute. Je sais que la France cherche depuis longtemps à remédier à ce problème dans le domaine de la biotechnologie. Cela fait vingt ans que je rencontre des personnes en France qui cherchent à développer une communauté d’investisseurs plus dynamique. J’espère que cela se concrétisera bientôt.

Notre objectif global est de concevoir des bâtiments plus durables, plus résilients, il y a donc de nombreux échos avec les recherches que vous évoquez. Nous voulons développer ce principe à l’échelle du bâtiment, du quartier et de la ville, selon une vision vivante et métabolique de la ville. John Fernandez au MIT travaille sur cette idée de l’étude de la ville comme métabolisme en cherchant à définir un système typologique.

Je sais qu’il y a eu des travaux en ce sens ces dernières années. Mais je pense qu’il est temps de vraiment construire en se basant sur la biologie, or la nature et l’être humain construisent différemment. L’homme construit généralement en partant de matériaux bruts – une pièce de caoutchouc, un bloc d’acier, un morceau de verre –, alors que la nature construit de manière hiérarchique. Des cellules et des unités modulaires, dotées de certaines fonctionnalités, s’auto-organisent et s’assemblent toutes seules, faisant émerger des structures d’ordre supérieur qui prennent de nouvelles fonctions. Si l’on réunit différentes communautés de cellules dans ce que l’on appelle des tissus, par exemple un tissu épithélial ou un tissu conjonctif, et qu’on les combine avec du tissu vasculaire qui fonctionne comme une tuyauterie, alors on crée un organe, et là encore, de nouvelles fonctions émergent. Il s’agit bien d’architecture, mais d’une architecture vivante, dotée de capacités de mobilité, de communication et de contrôle intégré incroyablement efficaces. Elle fait également preuve d’économies d’échelle et métabolique formidables, où le produit d’un composant donné est utilisé par son voisin, et vice versa. La question est de savoir s’il y a des éléments tangibles nous permettant d’utiliser des composants biologiques réels en architecture ? Je pense que nous arrivons au point où c’est devenu possible.