Ponts vivants

Quand elle ne lit pas de la littérature spécialisée sur les ponts oscillants, les infrastructures intelligentes et l'ingénierie pilotée par les données, Eleni Chatzi aime se plonger dans des romans de science-fiction. "J'aime réfléchir à des idées non conventionnelles et imaginer un monde qui n'existe pas encore", explique la professeure de mécanique structurelle et de monitoring, dont la chaire est soutenue depuis 2010 par la fondation Albert Lück. Cela ressemble presque à de la science-fiction lorsqu'elle évoque les applications qui pourraient na?tre un jour de ses recherches. Par exemple, des ponts qui se développent à partir d'une poignée de graines et qui sont entièrement constitués de matériaux biologiques.

Le domaine d'expertise de cette ingénieure civile de 38 ans est le "Structural Health Monitoring". A l'aide de capteurs, d'algorithmes de conversion et de traitement des signaux et d'apprentissage machine, Chatzi diagnostique la santé des barrages, des ponts, des éoliennes, des avions et des véhicules. Jusqu'à présent, les capteurs de tension, de déformation, d'accélération, de vent et de dilatation nécessaires à cet effet étaient soit installés ultérieurement, soit prévus dès la construction. "Mais cela représente généralement un co?t supplémentaire et un facteur de perturbation, en particulier sur les chantiers". Par exemple, d'innombrables c?bles doivent être posés pour acheminer les signaux de mesure vers un ordinateur central où ils sont analysés. "C'est pourquoi nous souhaitons développer des infrastructures et des machines dotées d'une intelligence intrinsèque, qui sont conscientes de leur état même sans capteurs extérieurs", explique Chatzi.

Béton "conscient de soi"

La base de telles infrastructures "auto-conscientes" est une toute nouvelle classe de matériaux sur laquelle des recherches sont menées depuis quelques années dans le monde entier. Par exemple, un béton qui peut surveiller son état de manière autonome. Pour cela, le "intrinsic self-sensing concrete" est mélangé à des fibres de carbone, des nanotubes de carbone et de la poudre de nickel. En appliquant une tension et en mesurant constamment la résistance électrique, ce matériau donne des informations sur les fissures, l'humidité ou les sollicitations anormalement élevées.

Un deuxième axe de recherche qui va dans le même sens est celui des matériaux aux propriétés auto-cicatrisantes. L'année dernière, des chercheurs américains ont présenté un polymère capable de s'autoréparer par réaction avec le dioxyde de carbone présent dans l'air. Ils se sont inspirés de la photosynthèse des plantes. D'autres groupes travaillent avec des bactéries qui forment du calcaire au Contact de l'eau de pluie et de l'humidité. Mélangées au béton, les petites fissures peuvent se refermer d'elles-mêmes. Des expériences sont également menées avec des réseaux microvasculaires qui, en cas de blessure, libèrent des liquides "guérisseurs" qui se polymérisent et comblent ainsi les zones de rupture - ce qui n'est pas sans rappeler la réaction de notre organisme après une blessure cutanée.

Intégrer les fonctions biologiques

"Nous assistons à une fusion entre la science des matériaux et la biologie", explique Mark Tibbitt, professeur au Macromolecular Engineering Laboratory de l'ETH Zurich. Autrefois, les chimistes et les ingénieurs se seraient surtout inspirés de l'environnement naturel pour reproduire des propriétés telles que l'hydrofugation du lotus. "Aujourd'hui, nous essayons d'intégrer les fonctions biologiques dans les matériaux", à condition de réaliser des percées dans la science des matériaux et la biotechnologie : l'ingénierie de l'ADN et les nouvelles méthodes de biologie moléculaire comme les ciseaux génétiques CRISPR/Cas permettent aujourd'hui d'introduire de manière ciblée des fonctions biologiques dans les cellules. La fabrication additive au moyen d'imprimantes 3D permet quant à elle de concevoir des matériaux à haute résolution sur la base de données. Dans sa recherche, Tibbitt combine des concepts issus de la technologie chimique, de la chimie des polymères, de la science et ingénierie des matériaux et de la biologie systémique. Il développe ainsi des polymères souples, semblables à des tissus, pour des applications biomédicales.

"Ce qui est fascinant avec les organismes vivants, c'est qu'ils per?oivent leur environnement, y réagissent et se soignent même eux-mêmes en cas de blessure", explique Tibbitt. "Nous voulons doter les matériaux et les infrastructures de ces qualités", ajoute-t-il en donnant des exemples d'applications futures : Des plantes d'intérieur qui purifient l'air et indiquent sa qualité par un changement de couleur des feuilles. Ou encore des b?timents qui se modifient au fil des saisons pour un climat intérieur confortable.

Tibbitt a rencontré Eleni Chatzi il y a un an lors d'une manifestation visant à explorer des pistes de recherche radicalement nouvelles. Bien que les deux travaillent à des échelles complètement différentes, elles parlent souvent des mêmes concepts. Les matériaux qui "s'auto-guérissent" en font partie. Aujourd'hui, ils ont lancé un dialogue interne à l'ETH sur les matériaux et les infrastructures vivants, auto-conscients et auto-réparateurs. Y participent des scientifiques des matériaux, des ingénieurs en chimie, en construction et en électricité, des biologistes et des informaticiens. L'objectif est de développer des matériaux dès le début, à différentes échelles. "L'ETH est prédestinée à cela en tant que hub, car elle possède de grandes compétences dans tous les domaines impliqués", est convaincu Tibbitt. Un premier atelier avec des discussions d'experts et un symposium devrait avoir lieu au printemps 2020. Des questions de recherche seront définies et les premiers projets transdisciplinaires seront lancés.

Vivre avec des environnements vivants

Le champ de recherche que Chatzi et Tibbitt ont contribué à créer est encore très jeune, et les questions l'emportent pour l'instant sur les réponses. Comment, par exemple, garantir la sécurité et la constance lorsque les infrastructures développent leur propre vie ? Comment les hommes et les animaux réagissent-ils à leur environnement construit lorsque celui-ci est constitué d'organismes vivants ? Et que se passe-t-il lorsqu'un organisme synthétique issu d'un nouveau matériau de construction se retrouve dans les eaux environnantes ? Pour Tibbitt, une chose est s?re : "Nous devons penser dès le départ aux questions de bioéthique et aux systèmes de sécurité".

Les risques s'accompagnent toutefois aussi de grandes opportunités : La production de béton génère aujourd'hui environ huit pour cent des émissions mondiales de CO2. Des plages de sable entières sont rasées pour répondre au boom mondial de la construction. Et les décharges pour les déchets de construction sont débordées en de nombreux endroits. Des infrastructures biologiques avec des cycles de matériaux fermés offriraient une alternative durable. Par exemple, des ponts fabriqués à partir d'une fibre végétale inhabituellement solide. Ils pourraient s'auto-réparer en cas d'endommagement et se décomposer en éléments compostables à la fin de leur durée de vie.