La gestion de la lumière par les insectes, source d’innovations

Lumière solaire, chargée de rayonnements ultraviolets mortels mais aussi source d’énergie vitale ; et lumière émise, source d’énergie et moyen de communication : deux aspects de la lumière auxquels nous sommes directement confrontés et dont la gestion par les insectes, par des voies complètement différentes des nôtres, peut être à la base d’intéressantes innovations.

Les insectes sont des organismes poïkilothermes : dépourvus de source de chaleur interne et stabilisée, comme les mammifères et les oiseaux, ils doivent capter une partie de leur énergie du soleil, l’autre étant fournie par l’activité musculaire. Les contraintes thermiques auxquelles sont soumis les insectes sont problématiques. Autrefois qualifié d’animal à « sang froid », il n’en est rien : la température interne d’un papillon en vol se situe, au niveau du thorax, entre 36 et 40 °C, bornes vitales étonnamment proches de celles des mammifères. La limite inférieure, déterminante pour la cinétique de l’activité métabolique, n’est pas la plus préoccupante. L’insecte trop froid ne pourra s’envoler, mais il peut entrer dans une sorte d’hivernation et reprendre son activité ultérieurement. La borne supérieure est au contraire problématique car l’insecte peut mourir d’hyperthermie. Éviter la surchauffe est donc vital. Les insectes utilisent différentes techniques pour gérer ces contraintes dont l’ingénieur peut s’inspirer.

Les insectes « capteur solaire »

Les ailes des papillons blancs sont traversées de nervures extrêmement spécifiques qui participent à la rigidité de l’aile mais également à la circulation lymphatique et donc, indirectement, à la gestion thermique de l’organisme. Dans le cas de papillons blancs, ou très clairs comme notre très commune piéride du chou (Pieris brassicae), dont les ailes réfléchissent plus de 70 % de la lumière incidente dans le visible, l’absorption ne peut évidemment se faire directement par les ailes. Tous ces papillons utilisent donc le fort pouvoir réflecteur de leurs ailes pour renvoyer la lumière sur le point stratégique : le thorax, qui abrite les muscles abducteurs et inducteurs du vol, et dont la cuticule est noire et fortement absorbante. Tous ces papillons ont une position de repos « ailes fermées » et gèrent l’absorption, donc la température, de manière active en jouant sur leur orientation par rapport au soleil et sur l’ouverture de leurs ailes. Le procédé est efficace et permet de manière active – et c’est là le point important – d’éviter la surchauffe fatale.

De nombreux papillons présentent des ailes ou des parties d’ailes d’un noir extrêmement profond. Celui-ci est dû à une combinaison d’absorption par des mélanines et de piégeage de la lumière dans des structures spécifiques. Côté absorption, ce dispositif est extrêmement efficace. Chez Morpho helenor par exemple, les zones noires à la base des ailes, au plus près du thorax, absorbent 99 % de la lumière du spectre solaire au maximum. C’est du côté infrarouge qu’il faut chercher l’innovation ! Loin d’être un capteur sélectif parfait, l’aile présente deux gros pics d’absorption, dont le second, entre 5 et 10 μm, se trouve en lisière du spectre d’émission d’un corps à 40°C. Ce pic joue le rôle de butoir pour le spectre d’émission thermique et maintient le papillon en dessous de la température critique. En dessous de 40°C, il n’y a pas d’absorption dans le domaine d’émission thermique, et donc pas de pertes par rayonnement : l’insecte se réchauffe. Au-delà, le spectre d’émission mord sur ce pic d’absorption, l’aile devient émissive et le papillon refroidit. Il y a là un dispositif original d’autostabilisation thermique que l’on peut transposer aux capteurs thermiques pour des températures plus élevées en jouant sur la valeur de la longueur d’onde de coupure.

Que ce soit pour absorber ou optimiser la transparence, les insectes ont développé des structures antireflets connues (et utilisées) sous le nom de « moth eyes structures ». Ces structures en picots produisent une adaptation d’indice continue entre l’air et la chitine, mais confèrent également à la surface des propriétés super-hydrophobes et autonettoyantes en zones tempérées et humides. Il serait intéressant de comprendre comment certains animaux luttent contre le sable, son adhérence et sa forte abrasion. C’est en effet un des grands problèmes des énergies renouvelables en milieux désertiques, riches en soleil mais aussi en vent et en sable, éléments hautement destructeurs des capteurs et éoliennes.
Il semble cependant que certains insectes (coléoptères) parviennent à empêcher les grains de sables extrêmement fins, qui recouvrent les capteurs en quelques heures, d’adhérer à la surface des élytres. De même, certains animaux comme le poisson des sables (Scincus scincus) ou les taupes dorées (Chrysochloris asiatica), bien que vivant et se déplaçant sous le sable présentent des écailles ou des poils dénués de toute trace d’abrasion.

De telles structures adaptées à nos surfaces amélioreraient grandement les performances de nos capteurs.

Les insectes « émetteur de lumière »

De nombreux insectes émettent de la lumière, soit par bioluminescence, soit par fluorescence. Une fois encore, les raisons en sont multiples. Dans le cas de la bioluminescence, il s’agit clairement d’un moyen de communication inter et/ou intraspécifique, et possiblement aussi d’un moyen de chauffage. Pour la fluorescence, la fonction principale est la protection contre les UV, avec une application à la communication une fois encore. Ces fonctions sont évidemment vitales pour les organismes et optimisées grâce à des structures spécifiques.

L’étude et la caractérisation des structures photoniques naturelles, animales comme végétales, a donné lieu à un très grand nombre de travaux qui ont clairement démontré leur efficacité et l’intérêt qu’il y aurait à les incorporer dans nos réalisations industrielles. On peut tenter de les reproduire, mais nos techniques sont actuellement peu adaptées à la réalisation de structures multi-échelles plus ou moins bien ordonnées, du moins à grande échelle. Si on veut conserver cette complexité, la réalisation de moules et la prise d’empreintes est une voie intéressante.

Deux approches sont envisageables : la voie chimique par des méthodes sol-gel ou la voie physique par dépôt plasma (PVD). La première permet de réaliser des empreintes en de très nombreux matériaux, et semble a priori particulièrement adaptée à la reproduction de structures tridimensionnelles. En raison de la directivité des dépôts physiques, la seconde l’est plus pour des structures uni ou bidimensionnelles.

Sources d’inspiration pour l’homme

Tous les organismes vivants, les insectes comme les hommes, sont soumis à des contraintes sensiblement identiques. Tous deux prospèrent sur terre et ont donc trouvé, au fil des millénaires, des moyens d’y faire face. Les approches des deux groupes sont cependant très différentes, voire opposées. Dans le domaine énergétique, depuis la maîtrise du feu, l’homme s’est assez rapidement détourné des énergies renouvelables difficilement maîtrisables. Ce n’est pas le cas des autres organismes vivants, et en particulier des insectes, qui doivent faire face aux différents aléas de la vie avec des moyens réduits. Des structures sont apparues, notamment à l’échelle nanométrique, qui permettent de gérer les échanges entre l’organisme – un milieu relativement stable d’un point de vue physico-chimique – et l’extérieur, extrêmement variable. Passées au travers du redoutable filtre de la sélection naturelle, celles qui sont parvenues jusqu’à nous ont démontré leur efficacité. Que nous apprennent-elles ? Tout d’abord, qu’une « bonne » structure est toujours multifonctionnelle et qu’aucune des fonctions ne prévaut sur les autres : on parle d’« optimisation moyenne ». Ensuite qu’il faut très peu d’éléments chimiques pour les construire. Ces deux contraintes cumulées – faire beaucoup avec peu – imposent la complexité topologique des structures. Désordre et multi-échelle sont les maîtres-mots des structures naturelles. Dans leurs rapports avec la lumière, les insectes ont développé des structures permettant de gérer toutes les configurations envisageables : absorption, transmission, extraction. Ces mêmes structures présentent par ailleurs des propriétés non liées directement à l’électromagnétisme, mais qui participent à leur optimisation globale : mécanique, hydrophobie, anti-adhésion… Les insectes sont ainsi parvenus à résoudre de nombreux problèmes qui sont encore pour nous sans solutions satisfaisantes. Leur approche est assez éloignée de la nôtre, en particulier par l’usage de la complexité et d’un désordre maîtrisé, et ils ont dans ces domaines bien des choses à nous apprendre. Nous avons, quant à nous, l’avantage d’avoir accès à la quasi-totalité des éléments chimiques. En nous inspirant des structures naturelles et en en réalisant des copies avec nos matériaux, nous pourrons ainsi bénéficier de leurs inventions et peut-être améliorer les effets ou en créer de nouveaux. C’est tout l’art novateur de la bio-inspiration.

Par Serge BERTHIER, Professeur, Université Paris Diderot (Paris, France), Institut des nanosciences de Paris, UMR 7588, CNRS, Université Pierre et Marie Curie, Paris

Extrait de l’article Insectes et lumière : approche bio-inspirée des échanges électromagnétiques, RE243, rédigé par Serge Berthier et al. en 2015.

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