Ce schéma illustre le processus, depuis l’inspiration tirée de la structure interne d’un os de vautour jusqu’aux simulations et à la fabrication additive d’une aile. Crédit : Université de l’Illinois à Urbana-Champaign
S’inspirant de la structure osseuse des oiseaux, Xin Ning et Sepideh Ebad Sichani (doctorante en 2026) ont créé une nouvelle génération de structures d’ailes d’avion, affranchies des conceptions traditionnelles de nervures, longerons et raidisseurs. Ces chercheuses travaillent au département d’ingénierie aérospatiale du Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.
Les os des oiseaux sont fins et creux, ce qui les rend légers. Mais ils sont aussi suffisamment résistants pour supporter les contraintes aérodynamiques. Ces deux caractéristiques en font une source d’inspiration idéale pour la conception de nouvelles ailes d’avion, où le poids et la charge sont des facteurs essentiels.
« Si vous doublez le poids, mais que la charge admissible n’augmente que de 10 %, la structure n’est pas efficace car le poids ajouté est supérieur au gain de charge », a expliqué Ning. « Il faut donc toujours trouver un équilibre entre la charge maximale que la structure peut supporter et les matériaux disponibles. »
Les résultats de l’étude, publiés dans l’ International Journal of Solids and Structures , ont montré que la structure interne de l’aile inspirée des os d’oiseaux permettait d’obtenir des améliorations de 48 % à 54 % en termes d’efficacité structurelle, par rapport aux ailes ressemblant davantage à des structures internes d’ailes traditionnelles avec des parois.
« Ce qu’il faut retenir, c’est que la biologie finit toujours par triompher », a déclaré Ning. « Nous voulons étudier la biologie et nous en inspirer pour concevoir de meilleures structures d’aéronefs. Et grâce aux imprimantes 3D de pointe, nous pouvons concrétiser la conception de matériaux bio-inspirés. »
Ning précise qu’imiter la nature est devenu plus facile grâce aux progrès technologiques.
« Les récents progrès de l’impression 3D et de la fabrication additive permettent désormais d’imiter la nature et de concevoir des structures aux géométries complexes et sophistiquées », souligne Ning. « Lors de la conception et de la fabrication de la structure interne d’une aile d’avion, nous ne sommes plus limités à des parois droites, parallèles et faciles à construire. Nous pouvons expérimenter des formes de treillis courbes selon différents angles, imitant ainsi les structures aléatoires que l’on observe dans la nature. »
Chacun des grands projets de recherche de Ning comporte à la fois des composantes de simulation informatique et des composantes expérimentales.
« Les expériences peuvent nous aider à développer le modèle numérique, et le modèle numérique peut nous aider à concevoir de meilleures structures », a-t-il lancé. « Je considère vraiment ces deux approches comme indissociables, et c’est ce que je fais. Il y a beaucoup à faire les deux. »
« Par exemple, mon étudiante Sepideh a développé un code très complexe. Elle a également mis au point un processus de fabrication, des méthodes de test et traité les données. Je pense qu’il est important que les étudiants soient formés de manière à maîtriser à la fois les expériences et les simulations. »
Dans le cadre de ce travail numérique, les chercheurs ont comparé le poids et la charge dans cinq groupes — cinq combinaisons de facteurs de pondération — afin de minimiser la masse de l’aile tout en maximisant la capacité de charge.
« Dans les simulations numériques, on peut explorer beaucoup plus de paramètres. Finalement, si l’on privilégie la réduction du poids, on obtient des microstructures très clairsemées. L’espace entre les mailles est plus important. Mais pour une charge utile très lourde, on utilise des paramètres différents afin de privilégier la capacité de charge. »
Dans la phase expérimentale de leurs travaux, les chercheurs ont imprimé en 3D quatre ailes. Deux d’entre elles présentaient des structures internes inspirées des os d’oiseaux, avec des formes de treillis plus irrégulières. Les deux autres possédaient des structures internes ressemblant à des matériaux alvéolaires à parois fermées.
Chacun des deux types de structures internes a été imprimé avec l’un des deux facteurs de pondération afin de permettre une comparaison entre la structure en treillis et la paroi.
