Des chercheurs du Maryland exploitent des protéines thermosensibles de serpent pour des capteurs infrarouges à faible consommation d’énergie.

Des chercheurs s’inspirent des serpents pour développer des capteurs infrarouges

Des scientifiques basés dans le Maryland examinent les capacités de détection thermique des vipères à fossettes et des pythons afin de concevoir une nouvelle gamme de capteurs infrarouges légers. Ces serpents, grâce à des mécanismes biologiques fascinants, sont capables de détecter des variations de température avec une précision remarquable.

Ce qu’il faut savoir

Au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory à Laurel, l’équipe de chercheurs travaille sur un système de détection de chaleur inspiré par les protéines que utilisent les serpents pour percevoir la chaleur environnante. L’objectif de ce projet est de développer des dispositifs compacts, appelés low-SWaP (qui signifie taille, poids et puissance faibles), capables de détecter la chaleur infrarouge tout en nécessitant peu ou pas d’énergie électrique traditionnelle.

Les vipères à fossettes et les pythons se distinguent par leur aptitude à percevoir des différences de température allant jusqu’à 0,005 degrés Fahrenheit (0,003 degrés Celsius) ou moins grâce à des structures spéciales situées sous leurs yeux.

Shanna Ratnesar-Shumate, à la tête du programme des sciences biologiques et chimiques à l’APL, souligne qu’une partie de ce projet vise à alléger le fardeau des équipements lourds que les militaires doivent souvent transporter. Elle explique : “Les membres des forces armées doivent fréquemment porter un équipement très lourd. Nous nous concentrons donc sur le développement de technologies low-SWaP qui non seulement égaleront ou dépasseront les performances actuelles, mais réduiront également les besoins en puissance et l’encombrement physique.”

APL envisage que ce concept pourrait un jour être intégré dans des équipements à état solide, comme des fils déclencheurs thermiques ou des lunettes de détection de chaleur.

Contexte supplémentaire

Les chercheurs tentent de reproduire le processus biologique utilisé par ces animaux pour détecter la chaleur. Ils travaillent à la création d’un circuit de détection biologique complet, basé sur des protéines et un transfert d’énergie moléculaire. Sous la direction de la biochimiste Lizzy Robinson, le projet s’articule autour de deux composants principaux : un module d’énergie biologique et un module de détection thermique.

Pour contourner les défis techniques, l’équipe a conçu un système simplifié, semblable à une cellule, comportant des machineries moléculaires qui convertissent la lumière et les gradients chimiques en adénosine triphosphate (ATP), une forme d’énergie utilisable. Robinson précise : “Pour reproduire le mouvement d’un courant électrique dans un circuit conventionnel, nous avons dû créer une chaîne d’événements biologiques où chaque composant transmet de l’énergie au suivant. Dans notre système, la lumière du soleil est d’abord convertie en énergie chimique stockée, qui alimente ensuite une réponse de détection thermique.”

Que fait l’équipe concrètement ?

Le module d’alimentation génère de l’ATP à l’aide d’un film mince, fabriqué avec de la rhodopsine microbienne, une protéine sensible à la lumière, et de l’ATP synthase, qui fonctionne comme une turbine moléculaire. Lorsque le film est exposé à la lumière, cela crée un déséquilibre de protons qui, en fin de compte, produit de l’ATP.

Pour la détection, les chercheurs ont utilisé des bactéries génétiquement modifiées pour créer des protéines de détection de chaleur de serpent. Après avoir isolé ces protéines, ils les ont introduites dans un système de test et ont observé que la température croissante provoquait l’ouverture de ces protéines, permettant aux ions calcium de passer et engendrant des pics de tension mesurables.

Denise Hoover, scientifique des matériaux et électrochimiste à l’APL, a déclaré que cette découverte établissait un lien pratique entre la biologie et l’ingénierie. “Ces résultats nous ont montré qu’il était possible de convertir directement une signature thermique en un signal électrique, ce qui constitue un véritable pont entre ces deux domaines”, a-t-elle expliqué. “Dès que nous avons pu mesurer ce signal de manière fiable, nous avons trouvé une méthode pour connecter un mécanisme de détection biologique à des technologies qui pourraient un jour être utilisées sur le terrain.”

Les chercheurs prévoient de fusionner les modules de puissance et de détection en un seul circuit biologique et de réaliser d’autres tests pour évaluer ses performances. Ils envisagent également si les futures plateformes de détection pourraient intégrer des systèmes basés sur des principes biologiques liés à l’odorat ou à la détection chimique.

Lizzy Robinson a résumé l’ambition de ce projet en déclarant : “Chaque étape de cette recherche constitue une étape cruciale. L’aspect le plus enthousiasmant n’est pas seulement de reconstruire un système biologique, c’est de prouver que nous pouvons développer de nouvelles technologies à partir de l’arsenal biologique.”

Où puis-je en apprendre davantage ?

Il existe plusieurs histoires intéressantes concernant des dispositifs alimentés par la chaleur corporelle, des capteurs en soie d’araignée, et des textiles intelligents :

• Des chercheurs ont créé des dispositifs fonctionnant grâce à la chaleur du corps, élargissant ainsi les possibilités pour l’électronique flexible.
• Des ingénieurs ont mis au point des capteurs bioélectroniques en soie d’araignée, qui peuvent être placés presque partout.
• Inspirés par les toiles d’araignées, des chercheurs développent des textiles intelligents, résistants et extensibles, pour les vêtements connectés.

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