Dose animale de science

Voici une dose de science en trois news. Parce que les petites choses font parfois les grandes choses.

1/ Nouveau regard sur la toile

Des chercheurs du MIT s’intéressent à l’architecture de vos toiles. Ils aimeraient adapter le design de chaque conception bioinspirée à base de soie en fonction de l’usage. Qu’en pensez-vous ?

Madame Araignée – «  Enfin ! Jusque-là, ils ne comprenaient pas que mon talent n’est pas simplement de produire un bout de fil merveilleux. Si mes toiles perdurent et demeurent fonctionnelles à travers le temps, c’est parce qu’il faut considérer l’ensemble des paramètres. La taille de la toile, le nombre de fils, leurs épaisseurs, leurs longueurs, leurs dispositions… ce n’est pas la même chose si la bête à capturer est une pauvre mouche ou un frelon ! J’ai eu un milliard d’années pour me perfectionner, je sais de quoi je parle. Alors les voir avec leurs machines optimiser la production de toiles synthétiques, cela me fait bien rire !  »

2/ Le Spinosaurus, un adversaire de taille pour le T-Rex

Le spinosaure, roi des dinos carnivores ?
Le spinosaure, roi des dinos carnivores ?

Quel crâneur ce spinosaure ! Depuis qu’un fragment de crâne a démontré que ce carnivore serait plus long de 3 m que le T-Rex, – son adversaire dans le film Jurassik Park 3 qui mesure 14 m –, Spinosaurus pavane dans les musées en tant que plus grand prédateur des temps anciens. Mais en dehors de ses intrigantes épines dorsales et de son impressionnante mâchoire, le spinosaure n’aurait pas une allure de carnivore. En effet, le paléontologue Nazir Ibrahim a étudié la marche de celui-ci grâce aux squelettes retrouvés de l’espèce. Résultat, le plus grand prédateur des dinosaures se déplacerait à quatre pattes à la manière d’un crocodile. De quoi renverser le mythe des carnivores debout sur leurs pattes arrière. Et cela ne s’arrête pas là, le spinosaure ne se nourrissait pas de poissons en les attrapant avec sa patte tel un ours mais bel et bien en piquant une tête dans les rivières. Mi-aquatique, mi-terrestre, le spinosaure bouscule les connaissances actuelles dictant des dinosaures exclusivement terrestres. Alors Spinosaurus, t’es vraiment plus fort ou tu veux juste défier le T-Rex ?

3/ Vision sur-mesure pour la chauve-souris

« Tu as repéré quelque chose à manger ? », demande une pipistrelle à sa congénère chauve-souris. « Attends j’essaye de zoomer… », répond t-elle. En pleine nuit, l’ingénieur Pavel Kounitsky et ses collaborateurs observent les chauves-souris sauvages à l’approche d’un tunnel. Celles-ci émettent des séries d’ondes non audibles pour l’homme, des ultrasons. L’écho produit leur permet de localiser avec précision obstacles et proies. Munis de caméras hautes vitesses et de microphones à ultrasons, les scientifiques enregistrent et analysent les ondes de ces mammifères. En fonction de ce qu’elles veulent ‘voir’, les chauves-souris ajustent la forme et la durée des pulsations. Cette liberté est due à leur capacité de modifier la forme de l’orifice émetteur des ondes, leur bouche. Et ce, en même pas douze millisecondes ! Ainsi lorsqu’elles ne perçoivent pas quelque chose – ou lorsqu’elles approchent une zone confinée, comme l’entrée d’un tunnel –, elles concentrent toute leur énergie et ‘zoome’ en ouvrant davantage leur bouche. Au contraire, elles peuvent aussi disperser les ondes et percevoir un champ plus large. Très rapidement leur sonar naturel s’adapte quelle que soit la situation. De quoi rester bouche bée !

Sources : Qin et al. Science (2015) // Ibrahim et al., Science (2014) 345 (6204): 16131616// P Kounitsky et al. (2015) PNAS doi:10.1073/pnas.1422843112 

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La fabrique du cœur artificiel

Alors que la fabrique du Père Noël s’affole en ce mois de décembre, je vous propose de plonger dans l’univers de la fabrique du cœur artificiel. Depuis la médiatisation de la prothèse Carmat, cette technologie est perçue en France comme une prouesse médicale. Dans le monde, elle est en réalité une pratique courante. Quelques réponses aux questions que vous vous posez.

Pourquoi fabriquer un cœur artificiel ? Le cœur a parfois des failles que seule une greffe peut combler. Sauf qu’il n’y a pas assez de greffons cardiaques disponibles pour faire face à la demande. Selon la Fédération pour les dons d’organes et les tissus humains, entre 2007 et 2013, sur 5000 demandes de greffes enregistrées en France, seuls 2 646 patients ont reçu un cœur, 2019 sont toujours en attente et 411 sont décédés. Le concept du cœur artificiel a été développé en réponse à ce problème. L’idée est d’accompagner et surtout de prolonger dans de bonnes conditions (la moins médico-dépendante possible) la vie d’une personne en attente de transplantation, la prothèse ne permettant pas encore de remplacer un cœur de façon permanente. Le terme bridge to transplantation, en français “pont à la transplantation”, reflète parfaitement ce concept. Au-delà de nos frontières, cette pratique est monnaie courante. Selon Gilles Dreyfus, chirurgien cardiaque ayant effectué la première implantation européenne en 1986 aux côtés d’Alain Carpentier, père du cœur artificiel Carmat, «20000 cœurs ou pompes sont implantés chaque année dans le monde. Certains malades portent un cœur artificiel Cardiowest depuis deux ou trois ans, d’autres vivent avec des pompes axiales depuis sept ans et ils se portent très bien ».

Comment est-il fabriquer ? Cardiowest, HeartMate I et II, Novacor … De nombreux modèles de cœur artificiel existent aujourd’hui. Tous suivent une ligne de conception simple. Un premier ventricule accueille le sang pauvre en oxygène et le projette dans les poumons, un second recueille le sang oxygéné avant de le propulser vers les organes. La contraction cardiaque est assurée par des pompes motorisées raccordées à un micro-ordinateur. Un système extérieur alimente l’ensemble en énergie. Le modèle du cœur humain est bien plus complexe avec des cellules nerveuses impactant sur la contraction cardiaque, divers processus biologiques, une différence de pression entre les ventricules et de nombreuses autres particularités. Les ingénieurs ont dû faire des choix : la prothèse se doit d’être implantable dans une poitrine, sa contrainte de volume guide donc sa conception. Les éléments de la prothèse, internes à l’organisme, et ceux qui restent à l’extérieur déterminent la génération de la technologie. Avec ses 900g, le cœur artificiel deuxième génération de l’entreprise de biotech francilienne Carmat est un peu plus lourd qu’un véritable cœur. Il ne possède pas toutes les composantes de son analogue humain et possède une sensibilité moindre au mouvement. Il demeure toutefois très proche physiologiquement : aujourd’hui, les pompes et le mécanisme de contrôle sont intégrés dans la prothèse, alors qu’ils restaient à l’extérieur du patient chez les premiers implantés. Seule l’alimentation continue de se porter à la ceinture. Le défi actuel est d’aller encore et toujours plus loin et de transformer cette prothèse éphémère en une solution durable.

Comment se déroule une implantation? L’implantation d’un cœur artificiel est identique à celle d’un véritable cœur, à la différence qu’il s’agit d’un dispositif contenant des matériaux plastiques ou biologiques immunologiquement inertes. Aucun rejet n’est donc possible. La prothèse fonctionne simplement, juste à côté du cœur humain qui n’est pas retiré. Celui-ci n’assure plus son rôle premier de pompe cardiaque. Il est inactif. Les chirurgiens le perçoivent comme une chambre accessoire intermédiaire. Et ce, jusqu’au jour où, dans le meilleur des cas, un greffon est disponible. À ce moment là, les chirurgiens procèdent à l’explantation du cœur artificiel. Les données recueillies par la prothèse sont alors analysées.

Le cas Claude Dany : un échec?Le 2 mars 2014, Claude Dany, premier patient à avoir reçu un cœur artificiel Carmat, est décédé. On pourrait croire à un échec mais il n’en est rien. Bien au contraire, en ayant vécu jusqu’à soixante quatorze jours après l’opération, Claude Dany a dépassé de quarante quatre jours l’espérance de survie prédite par la société Carmat. «La mort [du patient] n’est pas liée à une complication, ni au principe fondamental de cette prothèse qu’est l’emploi de matériaux biocompatibles», assure le professeur Alain Carpentier, père du cœur artificiel, dans un communiqué. Toutefois un dysfonctionnement de la prothèse, assimilable à un arrêt cardiaque, est bel et bien à l’origine du décès de Claude Dany. Cela serait dû à un problème électrique ou électronique. Seule l’expertise – encore tenue secrète – du système pourra confirmer et préciser cette hypothèse.

A qui s'adresse t-il? À l’heure actuelle, il s’agit d’une alternative nécessaire pour prolonger la vie des patients. Toutefois, seuls 15 à 20% d’entre eux ont réellement besoin d’un cœur artificiel bilatéral total. De surcroit, selon une simulation réalisée à partir de scanners, seuls 65% des cages thoraciques des patients sont anatomiquement compatibles avec la prothèse. D’où la polémique liée à l’intérêt réel d’une telle prothèse. Est-il vraiment rentable de déployer autant d’énergie, de recherche et d’argent – de 80000 euros pour le cœur Cardiowest jusqu’à 250 000 euros pour la prothèse Carmat – pour une technologie si complexe et si peu compatible ? « Je n’ai pas la réponse», avoue Gilles Dreyfus.

 Lisez ses sompléments

Mon coeur artificiel pour la vieEn 1982, l’affaire Clark Barney remet en question la stratégie initiale du cœur artificiel : remplacer à vie le cœur. En effet, ce dentiste de 62 ans reçoit, malgré la contre-indication formelle de ses médecins, un cœur artificiel total Jarvik 7, de façon permanente. Il subit de nombreuses infections et approche à de nombreuses reprises de la mort. Douze jours après l’opération, le dentiste décède. Les médias du monde s’interrogent : les derniers jours de Clark Barney étaient-ils vraiment soutenables? Cette controverse, ajoutée à d’autres échecs, plonge le cœur artificiel dans une sombre époque. À tel point que l’agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux, mieux connue sous le nom de FDA, interdit l’implantation définitive de la prothèse chez un patient. Seule l’alternative en tant que «pont à la transplantation» est tolérée. En 2001, l’avancée de la technologie permet d’améliorer les résultats de la prothèse et de conforter les exigences de la FDA. Suite à cela, l’implantation permanente d’un cœur artificiel total chez un homme est à nouveau envisageable bien que les prothèses ne soient toujours pas réellement prêtes à remplir cette fonction.

L'histoire de la mécaniqueAux prémices de cette technologie, dans les années 80, les chirurgiens placent deux ventricules artificiels dans les poitrines des patients et leur enlèvent leur véritable cœur. Résultat: tous meurent d’une embolie pulmonaire causée par un caillot sanguin. Suite à cela, ils imaginent des pompes pneumatiques puis des turbines pour reproduire la contraction cardiaque. La première génération de cœur artificiel est née : les ventricules sont à l’intérieur du patient, mais l’apport énergétique, les pompes et le service de régulation sont à l’extérieur. Puis les ingénieurs améliorent le système. Dans un cœur de deuxième génération, l’actuelle prothèse, seule l’énergie est à l’extérieur de l’organisme. Le rêve serait de placer l’intégralité du système dans la poitrine du patient et, à terme, faire de ce cœur artificiel une alternative définitive à la transplantation.

Nanopores : l’avenir des batteries ?

Chez les internautes, il existe deux grands fléaux : ne plus avoir de batterie et ne pas avoir d’accès wifi. Si pour le wifi, l’individu dépend de son environnement, c’est une autre histoire pour la batterie. L’idéal serait que nos technologies survivent des semaines sans devoir se relier à la vie, comprenez à la prise électrique. Ou alors il faudrait une batterie de secours. Cela existe déjà bien sur. Toutefois elles sont encore bien trop encombrantes. Il faudrait qu’elles soient plus performantes, plus petites, plus ingénieuses.

Crise d'énergie lors d'une confèrence © N Joly
Crise d’énergie lors d’une confèrence © N Joly

C’est dans cette voie de miniaturisation que des chimistes et physiciens de l’université de Maryland se sont aventurés dans la conception d’une batterie innovante. L’idée est d’associer des millions de nanopores entre eux pour constituer une structure capable de retenir l’énergie. Pourquoi ça fonctionnerait ? Parce que les nanopores qu’ils utilisent sont des petits trous, au sein d’une feuille de céramique, capables de transporter une charge électrique d’une nanoélectrode à une autre. Autrement dit, comme dans une pile classique, c’est le transfert d’électrons, des petites charges négatives, qui permettent d’actionner l’engrenage nécessaire au stockage d’énergie sous forme chimique.

La nano structure issu de ces travaux est encore à l’état de prototype. Néanmoins, cette avancée dans la miniaturisation des composants de stockage d’énergie semble prometteuse. En effet, les millions de nanotubes sont identiques. Ensemble ils forment une batterie très efficace – elle se charge en 12 min et peut être rechargée des milliers de fois – et ultra minuscule, de l’ordre d’un grain de sable. Si de manière générale, le concept est déjà surprenant, les scientifiques imaginent une version dix fois plus puissante. Reste à déterminer un procédé de fabrication à grande échelle pour commercialiser cette nanomerveille !

C. Liu et al. Nature Nanotechnology (2014)

Poppy, le maître de l’Open Source

Dans certaines cultures, un robot animé ne peut être que vivant. Et si un robot vit, il possède forcément une âme. En orient, nul, ou presque, n’imagine qu’il puisse prendre le pouvoir et aller contre l’homme. Et si, au lieu d’imaginer le soulèvement des machines, l’on se plongeait plutôt dans un monde où le robot serait un atout voire un allié de l’homme ? Et s’il pouvait nous aider à en apprendre davantage sur l’humain ?

Poppy  est un robot bio-inspiré de 83 cm qui frôle l’équilibre sur ses pieds courbés. Il n’a pas forcément d’yeux pour voir ni de capteurs sensoriels pour détecter son environnement. Evidemment ses créateurs, l’équipe Flowers Inria, ont pensé à tout cela, mais l’humanoïde n’est pas destiné à de tels projets. Toutefois Poppy est doté de capteurs de position qui lui permettent d’effectuer ou d’enregistrer un mouvement. Ses 25 moteurs lui offrent de nombreux degrés de liberté. Il peut reproduire une danse, nager, pédaler dans le vide. Comme l’homme, il possède une colonne vertébrale et un bassin articulé. Ces éléments semblent nécessaires chez l’homme, l’est-ce autant chez le robot ? « Ce qui est vrai chez l’homme ne l’est pas forcément chez nous, et vice versa », souffle un développeur. En effet, Poppy admet quelques difficultés à tenir debout seul. Cette position d’équilibre n’est que prémices à la marche bipède, qui n’est autre qu’une succession de déséquilibres auxquels le corps doit s’adapter en permanence. Il est difficile de faire marcher un robot aux proportions humaines qui n’a pas le centre de gravité aussi bas que les autres robots ni d’aussi grands pieds qu’eux. Poppy chausse du 23 et il adore les baskets bleues, faut faire avec.

Red Poppy, sur la table des développeurs.
Red Poppy, sur la table des développeurs.

Ainsi, les développeurs étudient la marche de ce petit robot. Leur vœu était de reproduire le comportement d’un enfant. C’est ainsi que Poppy fut propulsé en dehors de l’imprimante 3D. Fait d’acrylonitrile butadiène styrène, un composé plastique, il résiste aux chocs et son armature est plutôt légère. Ce sont les moteurs qui augmentent son poids …et son prix. Un moteur seul couterait environ 250€, soit plus de 6000€ pour les 25 moteurs, alors que le corps plastique ne dépasse pas les 1000€.

Allongé sur la table, Poppy n’est pas allumé, il se laisse manipuler : il faut remplacer quelques moteurs et quelques fils. La dernière utilisation au printemps dernier a fait travailler le petit robot. Entre envie de développer de nouveaux projets, de tester d’autres choses, les développeurs ne manquent pas d’idées. Comme Stéphane Ribas, community manager du projet, le précise « Poppy est Open source, toutes ses caractéristiques sont disponibles mais l’important ce n’est pas cela. Ce qui est intéressant c’est ce  que nous faisons de tout cela, en d’autres termes quelles sont les applications du projet ». Si aujourd’hui, Poppy fait de la musique en agitant des maracas ou en tapotant sur un xylophone, c’est un éventuel vecteur pour l’enseignement, l’éducation. Tout ça en programmant la machine comme on le désire. Mais il faut savoir qu’il « y a plein de choses à faire sans programmer ». Donc pas de panique, même sans cursus en informatique en peut craquer pour un petit robot Open source !

Ainsi, aussi animé soit Poppy, le robot Open Source ne vit qu’à travers ceux qui alimentent ses fonctionnalités. On pourrait lui attribuer une âme. Croire qu’aussi inoffensif le jour, il se réveille la nuit, part conquérir le monde et vise à devenir le maître de l’univers. Mais non, lui il préfère surfer sur une vague prometteuse : celle de l’Open Source.

And more

Retracez la journée à travers ce Storify : Rencontre avec Poppy, le robot Open-Source Inria & si vous n’êtes toujours pas rassasiés, retrouvez toutes les infos dispos sur le site du projet !

Un grand merci à la Cité des Sciences et de l’industrie et plus particulièrement à la zone 3 pour leur accueil fabuleux et leur volonté de partage.

It’s a good day…

…pour rencontrer le beau, sublime, le fantastique :

Poppy

C’est qui ce p’tit gars ? C’est un robot Open-Source développé par l’équipe Flowers d’Inria Bordeaux.

Plus d’info sur le site du projet ou dans quelques jours sur le web…Tenez-vous prêts !

D’ici là, vous pouvez retracer la journée à travers le Storify :