3. Principes du Vivant &
Civilisation post-pétrole
Coronavida, 17 décembre 2020
Gauthier Chapelle,
Chercheur in(Terre)dépendant en biomimétisme,
Naturaliste et papa
4. Le biomimétisme
« S’inspirer des organismes vivants pour être durable »
Janine Benyus, 1997
… grâce aux “Principes du Vivant”
5. Les Principes du Vivant
(sélection)
« La Vie crée et entretient les conditions propices à la Vie »
Les organismes vivants...
Evitent les toxiques persistants
Utilisent les déchets comme matériaux
S’approvisionnent localement
Utilisent l’énergie avec efficacité (solaire à 99%)
Retiennent les processus qui soutiennent la vie
Rebondissent après les chocs
S’appuient sur la coopération & la diversité
Ne surexploitent pas leurs ressources
Récoltent en permanence des informations et s’y ajustent
modifié par Greenloop d’après Cooper,1992; Biomimicry Guild,2006; www.resalliance.org)
8. Vers une économie régénérative :
allons-y !
Pour redevenir compatible avec la biosphère et
réparer les dégâts, nous devons :
Arrêter la production de poisons & et de déchets
ultimes
Dépendre exclusivement de l’énergie de flux (sortir
des fossiles)
Restaurer les écosystèmes
Fixer le carbone
Changer radicalement d’indicateurs économiques
Viser l’équité entre humains, et avec le vivant
9. La Ferme du Bec Hellouin, Normandie
Vers une agriculture post-pétrole
Agroforesterie & permaculture
Des défis multiples
Produire de la nourriture
Réparer les écosystèmes (le sol !)
Produire de l'énergie et des matériaux
... sans pétrole
... avec un climat instable
10. Agriculture biomimétique
Ecomimétisme (Malézieux 2012) : Les 6 principes
1 Utiliser des traits fonctionnels complémentaires
pour assurer production et résilience
Arbres : ombres,
micro-climat, vent, eau
et nutriments, humus,
fruits, bois, rétention
de sol
Champignons : dégradent
bois mort, poussent sans
lumière, comestibles
Cultures vivrières :
comestibles,
couverture
du sol, fixation azote
Petits fruitiers en haie
2ème rideau de
protection,
Fruits, fixent le sol
Illustration U of Minnesota
11. 2 Maintenir la fertilité du sol en le gardant toujours couvert
Image mulch avec vers etc pour illustrer effets
Ou juste photo mulch
Agriculture biomimétique
Ecomimétisme (Malézieux 2012) : Les 6 principes
12. 3 Favoriser les
collaborations plutôt que
la compétition entre
plantes
Le système « milpa » des Maya
Agriculture
biomimétique
Ecomimétisme
(Malézieux 2012) :
Les 6 principes
13. 4 Contrôler les ravageurs par des niveaux trophiques complexes
Source http://www.foodsecurity.ac.uk/research/impact/push-pull.html
Le système dit
« push-pull » ou
Charmer-Chasser
en Afrique
Agriculture biomimétique
Ecomimétisme (Malézieux 2012) : Les 6 principes
14. 5 Utiliser les propriétés des plantes et les alternatives biologiques
pour contrôler les ravageurs et maladies
Source: Mascarin, G. M., & Jaronski, S. T. (2016). The production and uses of Beauveria bassiana as a microbial insecticide
Agriculture biomimétique
Ecomimétisme (Malézieux 2012) : Les 6 principes
Beauveria bassiana, champignon entomopathogène
15. 6 Reproduire les successions écologiques après dérangement
En « foresterie
analogue »
Agriculture biomimétique
Ecomimétisme (Malézieux 2012): Les 6 principes
16. Amortisseur climatique
Accumulateur d’énergie sous forme de carbone
Régulateur et épurateur de l’eau
Conservateur et améliorateur des sols
Générateur et maillon essentiel de biodiversité
Source : Association Française d’Agroforesterie
L’agroforesterie
17. L’arbre au cœur de la ferme
Mark Shepard (2013) Restoration Agriculture: Real-World Permaculture for Farmers. Acres USA, 329 p.
Sortir de l’agriculture de steppe
18. Sortir de la civilisation fossile:
se préparer avec les Principes du Vivant,
ou subir ?
Aurélien Barrau
“Nous sommes donc en train de mettre en
œuvre le crash du système Planète-Terre, ce
qui est un peu contrariant.”
“ … Il n’est évidemment pas trop tard pour
éviter que ce ne soit encore pire… ”
19. Prof. N.Vandewalle, GRASP Lab
Soft Matter at the University of Liège, Belgium
keywords : microfluidics, granular materials, droplets, foams, colloids,
interfaces, smart self-assembly, complex fluids, rheology, soft robotics, …
APL (2009)PRL (2005)
Langmuir (2010)
Sc. Rep. (2015)
@vdwnico
Nature (2020)
PRF (2021)
20. Biomimétisme et capture d’eau en milieu aride
Nicolas Vandewalle, Floriane Weyer, Joséphine Van Hulle [ULIEGE]
Denis Terwagne [ULB]
21. 206
Figure 2: Different sizes and morphologies of scales of Phrynosoma cornutum. (A) Dorsal (back) scales along the medial line. (B) The lateral back is
characterised by thorn like scales surrounded by small polygonal scales. (C) In the lateral neck region the thorns are mainly circular and are
surrounded by small circular scales. (D) Ventral scales are diamond shaped and rather regular. (E) The scales on the head exhibit an enormous
variety with respect to the morphology and size. (F) The scales on the chin are regular and almost circular.
97% [9,11]. The microclimate in the fog chamber was
measured with a miniature weather station (Silva ADC
PRO, Silva Sweden AB). Live beetles were studied one
by one in a square arena (17 × 17 cm) with sand shaped
into a small ridge oriented perpendicular to the direc-
tion of the fog.
The time from when the beetle was placed in the
chamber until it assumed a fog-basking position was
Quantification of water collection
Prior to the third experiment, the beetles were killed
by freezing, had their legs and antennae removed and
were positioned on a stand by the use of model clay.
The ventral sides of the beetles were positioned in the
angle previously determined from live beetles fog-
basking in the fog chamber (see above). An Eppendorf
tube for water collection was placed under the apex of
Figure 1 Size difference between the four model beetles. Examples of specimens from each beetle species placed next to each other for
size comparison. A: O. unguicularis, B: O. laeviceps, C: S. gracilipes, and D: P. cribripes. The dorsal surface area of P. cribripes was found to be 1.39
times larger than O. unguicularis, 1.56 times larger than O. laeviceps, and 2.52 times larger than S. gracilipes. Scale bar: 3 cm. See Methods for how
size difference was determined.
Nørgaard and Dacke Frontiers in Zoology 2010, 7:23
http://www.frontiersinzoology.com/content/7/1/23
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• Organismes en milieux arides :
• Stratégies pour la capture d’eau : épines, surfaces rugueuses, écailles hydrophiles
Milieux arides
Opuntia microdasys Phrynosoma cornutum Physasterna cribripes
Ph.Comanns et al.,
Beistein J. Nanotechnol. (2011)
J.Ju et al.,
Nature Comm. (2012)
Th.Norgaard, M.Dacke,
Frontiers in Zoology (2010)
22. Milieux arides
• Collecte d’eau en milieux arides : Népal, Chili, Maroc
Filets à nuages : système passif de captation de l’eau contenue dans le brouillard
• Stratégie : pas vraiment… mais ça marche Q = 1 L/m2
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23. • Que peut-on apprendre de la nature sur chacun de ces processus ?
condensation
capture
accumulation transport
• Trois étapes importantes pour la collecte d’eau :
Milieux arides
24. Alex Edg Ernst VikneSteven Murray
Former de grosses gouttes
• Comment des végétaux peuvent-ils former d’aussi grosses gouttes ?
• Effet des ramifications, angles particuliers ?
25. • Rappel : suspendre une goutte
Former de grosses gouttes
Vmax =
⇠ a
⇢g
1 µ` 3 µ` 4.5 µ`
a = 250 µm
[balance gravité/capillarité]
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observations as presented in Figure 3. Starting with two
spherical droplets (a pure water droplet and an oil droplet), the
simulation also leads to the formation of a compound drop on a
fiber. The results are visualized with the open source 3D
computer graphics software Blender. A refractive index n = 1.1
is used for the silicone oil in order to show that the triple lines
are separated. The next section will evidence the formation of a
quadruple line.
E. Droplet Detachment. A convincing proof of the
existence of two different contact lines can be found by
regarding large droplets. Figure 4 presents a picture of
compound droplets close to detachment, when gravity forces
start to dominate capillary forces. Both compound droplets
contain 0.5 μL of water: on the left, pure water is considered
while, on the right, soapy water is shown. The volume of oil is
increased gradually until the drop is ready to fall. From the
ttom) numerical results. The encapsulation process leads to the formation of a
a 200 μm diameter fiber. The oil progressively encapsulates the water droplet leading
Figure 4. Pictures of two droplets close to detachment: (left)
compound droplet with 0.5 μL of pure water and 3.9 μL of oil, (right)
compound droplet with 0.5 μL of soapy water and 3.5 μL of oil on a
fiber (diameter d = 200 μm).
DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b013917802
experiments, we found out that the critical volume of oil is 3.9
μL, for pure water and 3.5 μL for soapy water Figure 4.
Numerical simulations predict a critical volume of 4.2 μL for
pure water and 3.5 μL for soapy water. Even if the oil volumes
are slightly different, both experimental and numerical data
show that pure water can hold larger volumes of oil than soapy
water. Moreover, the shapes of the drops are different
depending on the nature of the inner droplet as it can be
seen from Figure 4. The simulations also lead to these different
shapes as shown in Figure 5. By comparing Figures 4 and 5, it is
Figure 6. Maximum and global volume of the compound droplet (Vw
+ Vo) that can be reached just before detachment as a function of the
volume of the inner droplet. The nature of the inner droplets affects
Langmuir Article
F.Weyer, M.Ben Said, J.Hötzer, M.Berghoff, L.Dreesen, B.Nestler, N.Vandewalle, Langmuir 31, 7799 (2015)
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26. 2b
• Système modèle : imiter la nature
Former de grosses gouttes
• Mesures du volume maximal suspendu
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27. A
B
C
D
,(/
)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
+$
m
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
160 7m (soapy water)
250 7m (soapy water)
350 7m (soapy water)
250 7m (glycerol)
Model I
Model II
Model III
α(◦
)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Ω∗
m
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
160 µm (soapy water)
250 µm (soapy water)
350 µm (soapy water)
250 µm (glycerol)
Model I
Model II
Model III
5 mm
(c) (d)
(e)
g
5 mm
g
(e)
(d)(c)
Droplets on bent fibers : results
At the end…
Optimal angle at ↵ = 21
The optimal angle could improve the fog collection
Former de grosses gouttes
1 mm
θ1
θ2
θ3
L1
Lsinθ
(a)
(b)
(c)
Slope = -1
Slope = 0
• Comprendre la physique…
• Différents régimes et angle optimal
Z.Pan, F.Weyer, W.G.Pitt, N.Vandewalle and T.T.Truscott, Soft Matter 14, 3724-3729 (2018)
28. Former de grosses gouttes
• Imiter la nature > Comprendre > Optimiser
• Concrètement on peut multiplier par 3 le volume formé ! > prototypes
• Géométrie et physique intimement liés
• Attention à ne pas trop diminuer la taille des mailles pour éviter le clogging
29. J.Ju et al., Nature Comm. (2012)
• Epine de cactus :
Transport capillaire
Opuntia microdasys
• Principe :
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30. Transport capillaire
• Epines modèles par impression 3d.
• Transport capillaire : asymétrie des forces capillaires
J. Van Hulle, F. Weyer, S. Dorbolo, N. Vandewalle, Phys. Rev. Fluids, in press (2021)