ISO 18458:2015

Biomimetics — Terminology, concepts and methodology

ISO 18458:2015 provides a framework for the terminology on biomimetics in scientific, industrial, and educational purposes. ISO 18458:2015 is intended to provide a suitable framework for biomimetic applications. The field of biomimetics is classified and defined, numerous terms are described, and a description of the process of applying biomimetic methods from the development of new ideas to the biomimetic product is provided. The limits and potential of biomimetics as an innovation approach or as a sustainability strategy are also illustrated. In addition, ISO 18458:2015 provides an overview of the various areas of application and describes how biomimetic methods differ from classic forms of research and development. If a technical system is subjected to a development process according to ISO 18458:2015, then it is allowed to be referred to as a "biomimetic" system. ISO 18458:2015 provides guidance and support for developers, designers, and users who want to learn about the biomimetic development process and integrate biomimetic methods into their work aiming at a common language for scientists and engineers working in the field of biomimetics. It can be applied wherever nature has produced a biological system sufficiently similar to the technical target system that can be used to develop a technical equivalent.

Biomimétique — Terminologie, concepts et méthodologie

L'ISO 18458:2015 fournit un cadre pour la terminologie concernant la biomimétique à des fins scientifiques, industrielles et éducatives. L'ISO 18458:2015 est destinée à fournir un cadre approprié pour les applications biomimétiques. Elle classifie et définit le domaine de la biomimétique, décrit de nombreux termes ainsi que le processus d'application des méthodes biomimétiques au produit biomimétique à partir d'idées nouvelles. Les limites et le potentiel de la biomimétique en tant qu'approche pour l'innovation ou en tant que stratégie de développement durable sont également illustrés. En outre, l'ISO 18458:2015 donne un aperçu général des divers champs d'application et décrit la manière dont les méthodes biomimétiques diffèrent des formes classiques de recherche et de développement. Si un système technique fait l'objet d'un processus de développement conformément à l'ISO 18458:2015, il est alors permis de le mentionner en tant que système « biomimétique ». L'ISO 18458:2015 fournit un guide et un soutien aux développeurs, concepteurs et utilisateurs qui souhaitent comprendre le processus de développement biomimétique et intégrer les méthodes biomimétiques dans leurs pratiques professionnelles visant à un langage commun entre scientifiques et ingénieurs travaillant dans le domaine de la biomimétique. Le processus de développement biomimétique peut être appliqué chaque fois que la nature a produit un système biologique assez similaire au système technique visé qui peut être utilisé pour élaborer un équivalent technique.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 06-May-2015
• ICS: 07.080 - Biology. Botany. Zoology
• Technical Committee: ISO/TC 266 - Biomimetics
• Drafting Committee: ISO/TC 266 - Biomimetics
• Current Stage: 9093 - International Standard confirmed
• Completion Date: 12-Jan-2021

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18458
First edition
2015-05-15
Biomimetics — Terminology, concepts
and methodology
Biomimétique — Terminologie, concepts et méthodologie
Reference number
ISO 18458:2015(E)
©
ISO 2015

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ISO 18458:2015(E)

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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Terms and definitions . 1
3 What is biomimetics?. 3
3.1 Essentials of biomimetics . 3
3.2 Boundaries to and areas of overlap with related sciences . 4
3.3 Biomimetic products and processes . 5
4 Reasons and occasions for using biomimetic methods . 6
4.1 Possibilities, performance, and success factors for biomimetics . 6
4.2 Biomimetics and sustainability . 7
4.3 Limits of biomimetics . 8
4.4 Communication process in biomimetics . 8
5 Biomimetic engineering process . 8
5.1 General . 8
5.2 Development of new ideas . 9
5.3 Abstraction and analogy .12
5.4 Planning phase to invention .13
6 Implementation of biomimetics in the innovation approach .14
Annex A (informative) Examples .15
Bibliography .23
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ISO 18458:2015(E)

Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 266, Biomimetics.
iv © ISO 2015 – All rights reserved

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ISO 18458:2015(E)

Introduction
Biomimetics is understood to be the application of research and development approaches of interest
to practical applications and which use knowledge gained from the analysis of biological systems to
find solutions to problems, create new inventions and innovations, and transfer this knowledge to
technical systems. The idea of transferring biological principles to technology is the central element of
biomimetics (see Clause 3 for a definition of biomimetics).
The basic motivation behind the transfer of biological solutions to technical applications is the
assumption that biological structures are optimized to their needs and can be the source of significant
and convincing applications. To date, over 2,5 million different species have been identified and described
to a great extent together with their specific characteristics. In terms of biomimetics, there is therefore
a gigantic pool of ideas available for solutions to practical problems.
[1]
Historically, the development of biomimetics can be divided into the following phases: model-based
biomimetics was introduced starting around 1950 primarily for use in the design and construction of
aircraft, vehicles, and ships by deriving modelling rules based on similarity theory for transferring the
principles of biological systems to technical designs. Around 1960, the two pillars of biomimetics (biology
and technology) were combined linguistically for the first time due to the influence of cybernetics and
placed on a common linguistic and methodical foundation. This foundation then became an important
basis for the central element of the field of biomimetics: the transfer of knowledge. Since about 1980,
biomimetics has also been extended down to the microscale and nanoscale (e.g. the Lotus-EffectText ®)
[2]
. New methods in measurement and manufacturing technology were the keys to these extensions.
Since the 1990s, biomimetics has received further impetus, in particular due to the rapid technological
development in the related fields of computer science, nanotechnology, mechatronics, and biotechnology.
In many cases, it is new developments in these fields that enable the transfer of complex biological
[3]
systems in the first place .
Today, the field of biomimetics is increasingly considered a scientific discipline that has generated
numerous innovations in products and technologies. This highly interdisciplinary collaborative work,
which brings together experts from the fields of biology, engineering sciences, and numerous other
[4]
disciplines, possesses a particularly high potential for innovation . For this reason, biomimetics has
now become an object of research and education at numerous universities and extramural research
institutions. However, manufacturing companies are also increasingly turning to biomimetic methods to
develop new products or to optimize existing products. In spite of the increasing number of researchers
and users active in the field of biomimetics, the transfer of knowledge from the field of biology to
technology is still a complex process that places high demands on the people involved.
Nature has numerous “ingenious solutions” available that can often be understood intuitively. It is
seldom easy, though, to explain the underlying mechanisms and in particular, to explain how they could
be applied to technology. This discrepancy is one reason for the current and ongoing relevance of the
[5]
field of biomimetics, which will also continue into the next decades .
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Biomimetics — Terminology, concepts and methodology
1 Scope
This International Standard provides a framework for the terminology on biomimetics in scientific,
industrial, and educational purposes.
This International Standard is intended to provide a suitable framework for biomimetic applications.
The field of biomimetics is classified and defined, numerous terms are described, and a description of the
process of applying biomimetic methods from the development of new ideas to the biomimetic product
is provided. The limits and potential of biomimetics as an innovation approach or as a sustainability
strategy are also illustrated. In addition, this International Standard provides an overview of the various
areas of application and describes how biomimetic methods differ from classic forms of research and
development. If a technical system is subjected to a development process according to this International
Standard, then it is allowed to be referred to as a “biomimetic” system.
This International Standard provides guidance and support for developers, designers, and users who
want to learn about the biomimetic development process and integrate biomimetic methods into their
work aiming at a common language for scientists and engineers working in the field of biomimetics. It
can be applied wherever nature has produced a biological system sufficiently similar to the technical
target system that can be used to develop a technical equivalent.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1
abstraction
inductive process in which a general conclusion is drawn based on the observation of a specific object
Note 1 to entry: In biomimetics, this conclusion is ideally a physical context for describing the underlying
functional and operating principles of the biological systems.
2.2
analogy
analogy in terms of technology is understood to be a similarity in the relationships between the relevant
parameters used to describe two different systems
Note 1 to entry: The specification of the relevant parameters is the object of abstraction (2.1). In terms of its
definition in the field of biomimetics (2.9), one of these two systems is a biological system (2.6), and the other
system is the technical target system.
Note 2 to entry: In biology, the term “analogy” refers to similarities in functional characteristics between different
organisms that resulted from the need to adapt and not because the organisms are somehow related. In contrast,
similarities based on relationship dependencies, and therefore on similar genetic information, are referred to as
homologies. In biology, the term “analogy” has come to be understood dynamically and emphasizes in particular
the differences between the starting points of two evolutionary developments.
2.3
analysis
systematic examination in which the biological or technical system is decomposed into its component
parts using suitable methods, after which the parts are then organized and evaluated
Note 1 to entry: The opposite of analysis, in terms of its aspect of “resolution into individual parts”, is referred to
as synthesis (recomposition).
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2.4
bioengineering
application of engineering knowledge to the fields of medicine or biology
2.5
bioinspiration
creative approach based on the observation of biological systems (2.6)
Note 1 to entry: The relation to the biological system (2.6) may only be loose.
2.6
biological system
coherent group of observable elements originating from the living world spanning from nanoscale
to macroscale
2.7
biology push
biomimetic development process in which the knowledge gained from basic research in the field of
biology is used as the starting point and is applied to the development of new technical products
Note 1 to entry: In technology, biology push is considered as a bottom-up process.
[6]
Note 2 to entry: In design research, biology push is considered as “solution driven” .
Note 3 to entry: See also technology pull (2.19).
2.8
biomimicry
biomimetism
philosophy and interdisciplinary design approaches taking nature as a model (2.15) to meet the
challenges of sustainable development (2.17) (social, environmental, and economic)
2.9
biomimetics
interdisciplinary cooperation of biology and technology or other fields of innovation with the goal of
solving practical problems through the function analysis of biological systems (2.6), their abstraction
(2.1) into models (2.15), and the transfer into and application of these models to the solution
Note 1 to entry: Criteria 1 to 3 of Table 1 shall be fulfilled for a product to be biomimetic.
2.10
bionics
technical discipline that seeks to replicate, increase, or replace biological functions by their electronic
and/or mechanical equivalents
2.11
component
element of an assembly that cannot be decomposed any further
2.12
function
role played by the behaviour of a system (2.18) in an environment
2.13
invention
act of creating something new or improved or product of this creation
Note 1 to entry: An invention therefore differs from an innovation, for which market diffusion is a prerequisite.
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2.14
material
collective term for the substances needed to manufacture and operate machines, but also to build
constructions
Note 1 to entry: The term “material” is used in the following as a general term for all biological materials and structures.
Note 2 to entry: It includes raw materials, working materials (2.20), semi-finished products, auxiliary supplies, operating
materials, as well as parts and assemblies. The term “material” is used in the sense of working materials (2.20).
Note 3 to entry: Biological materials are organic and/or mineral substances produced by living organisms. Due to
their hierarchical structure from the molecular to the macroscopic level, it is not possible to clearly distinguish
between the terms “material” and “structure” in the field of biology.
2.15
model
coherent and usable abstraction (2.1) originating from observations of biological systems (2.6)
2.16
structure
type and arrangement of the components (2.11) in a system (2.18)
2.17
sustainability
sustainable development
development that satisfies the requirements of the present without risking that future generations will
not be able to satisfy their own requirements
Note 1 to entry: Nature technology is the concept of human and the earth conscious technology learning from the
[7]
perfect circulation of the nature that has super-low environmental burden, high functionality, and sustainability .
2.18
system
set of interacting or interdependent components (2.11) forming an integrated whole with a defined boundary
2.19
technology pull
biomimetic development process in which an existing functional technical product is provided with new
or improved functions through the transfer and application of biological principles
Note 1 to entry: Technology pull is considered as a top-down process.
[6]
Note 2 to entry: In design research technology, pull is considered as “problem driven” .
Note 3 to entry: See also biology push (2.7).
2.20
working material
prepared raw material in a formed or unformed state (solid, liquid, or gaseous state) that is used to
manufacture components, semi-finished products, auxiliary supplies, or operating materials
3 What is biomimetics?
3.1 Essentials of biomimetics
The successful application of biomimetics is characterized as the transfer of knowledge and ideas from
biology to technology or other fields of innovation, i.e. practical development inspired by nature that
usually passes through several steps of abstraction and modification after the biological starting point.
The field of biomimetics is highly interdisciplinary and multidisciplinary, which is indicated by the high
level of cooperation between experts from different fields of research, for example, between biologists,
chemists, physicists, engineers, and social scientists.
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Depending on the intensity with which biomimetics is applied, it can be understood as a scientific
discipline, an innovation process, or a creativity technique. In innovation management, biomimetics
is used as one of many creativity techniques. However, its potential is not fully realized when viewed
solely as a creativity technique because the development of new ideas in this case often remains at
the level of a search for obvious analogies between biological systems and technical problems without
performing a systematic analysis, abstracting, or transferring an operating principle.
The innovation process in biomimetics starts by linking a biological system to a specific technical
question. The characteristic feature of biomimetics is that it unites interest in knowledge from the field
of biology with the goal of obtaining a real technical implementation.
In biomimetics, the conceptual interest in and research on the biological system is oriented to obtaining
applications. Structure/function relationships are particularly important in this context. These
relationships are derived primarily from the analysis of the functional morphology in the framework
of organismic biology. An essential part of a successful biomimetic process is the design of the interface
between biological research and product and process development engineering. Biomimetics is not only
about transferring abstracted biological results to technology, but also about applying the engineering
methodology to biological systems and integrating knowledge of biological systems into technical
developments. An efficient and multi-layered transfer of knowledge, and especially of methods, between
the disciplines therefore forms the basis for a successful biomimetic development process.
Biomimetics is founded on basic research in the field of biology. Due to its defined focus on applications,
though, it primarily integrates application-oriented and applied research into the actual development of
the product or process.
Since it is inherently a type of innovation process, biomimetics is currently becoming a separate scientific
discipline. On the one hand, it is steadily developing a system of interrelated scientific statements, theories,
and methods, while on the other hand, associations, research and educational institutions, as well as
communication tools, are being established by certain groups of people under the banner of biomimetics.
3.2 Boundaries to and areas of overlap with related sciences
The expression “technical biology” was introduced by Werner Nachtigall to distinguish it from
[8]
biomimetics . Technical biology consists of the analysis of structure/function relationships between
biological objects with help of methodical approaches taken from physics and the engineering sciences.
Technical biology is therefore the starting point of many research projects in biomimetics because it
allows a deeper understanding of the method of operation of the biological system at the quantitative
level, as well as a suitable implementation in technical applications.
Over the last few years, it has become apparent that knowledge gained through the implementation
of biologically inspired principles of operation in innovative biomimetic products and technologies
can contribute to a better understanding of the biological systems. This relatively recently discovered
transfer process from biomimetics to biology can be referred to as “reverse biomimetics”. In contrast to
technical biology, reverse biomimetics does not apply classical engineering methods and analysis tools
to biological systems, but uses biomimetic prototypes as a whole and/or the simulation of their method
of operation as explanatory models or models for study with which it can be easier to understand the
underlying biology. In an iterative process, the methods of technical biology are then applied again in
the next step in order to test this new or extended explanatory model on the biological system. The
new knowledge of the biological structures and functions gained then flows back into the development
of improved biomimetic products and technologies, which then in turn serve as improved biomimetic
models to which reverse biomimetics can be applied, etc. This results in new knowledge in the form of a
[9]
heuristic spiral of technical biology, biomimetics, and reverse biomimetics .
The boundary separating biomimetics and biotechnology is also important. Both fields are areas of applied
biological research (translational biology). Biotechnology is understood to be the application of scientific
and technical principles to convert substances using biological agents with the goal of providing goods
and services (based on Reference [10]). In contrast, biomimetics uses living organisms as generators
of ideas for innovative technical implementations, but the organisms themselves are not necessarily
involved in the manufacturing of biomimetic products. Even though the concepts of biotechnology and
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biomimetics are not the same, they can be combined, as has been demonstrated by research projects on
the development of artificial spider silk, for example, see Reference [11] (see Table 1 and A.2).
Biomimetics is a highly interdisciplinary science possessing numerous facets. In fact, there are also
publications containing biomimetics terminology in the economic sciences and in organization
management that, based on the analysis of biological systems, provide suggestions for improvement
[12][13][14]
to existing concepts and strategies . However, it is not always easy to recognize the aspect of
technology in these fields as it is used in the definition of biomimetics or it might be necessary to expand
the definition of the term “technology” to recognize it.
In contrast, areas of research that deal only with inanimate elements of nature (geo-inspired) are
incompatible with the definition of biomimetics provided above. This includes, for example, research on
snow crystals, which can provide valuable information for the production of nanostructures like those
[15]
needed for microchips or for the development of sound-absorbing materials.
The use of shapes designed based on biological systems alone cannot be considered a biomimetic
approach, particularly when the shapes appear from the outside as if they could be based on a shape
found in nature but are really based on sophisticated CAD technology or other mathematical methods
for designing surfaces, for example. In these cases, biomimetics only plays a role when the design of the
shape is an integral part of the functionality developed according to biomimetic principles.
3.3 Biomimetic products and processes
The decision as to whether a product or technology can be considered biomimetic can be made based on
three criteria (steps) (see Table 1).
A product can be considered biomimetic if, and only if, it follows the following three steps defining the
biomimetic process:
— function analysis has been made of an available biological system;
— biological system has been abstracted into a model;
— model has been transferred and applied to design the product.
Parallel developments in nature and technology are not biomimetics. In the course of the development
of technology, many technical products were developed and in many cases without any knowledge of
natural phenomena that were amazingly similar to biological structures with comparable tasks in terms
of their function and sometimes even in terms of their shape.
Table 1 — Differentiating between biomimetic and non-biomimetic products based on
Reference [16]
Criteria for a biomimetic product
3. Transfer
How new CONCLUSION:
1. Function and applica-
2. Abstraction
ideas are Biomimetics
analysis of tion without
from system to
a
developed yes or no
biological using the
model
system biological
system
CAO method technology
+ + + yes
(see A.1) pull
Biomimetic spider silk
biology push
(see A.2)
Process step1: Molecular
+ + + yes
biomimetics
a
Criteria 1 to 3 shall be fulfilled before “yes” is entered as the conclusion.
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Table 1 (continued)
Criteria for a biomimetic product
3. Transfer
How new CONCLUSION:
1. Function and applica-
2. Abstraction
ideas are Biomimetics
analysis of tion without
from system to
a
developed yes or no
biological using the
model
system biological
system
Process step 2: Recombi-
- - - no
nant protein production
Process step 3: Material
+ + + yes
processing
Evolutionary algorithms
technology
(EA) for optimization + + + yes
pull
(see A.3)
Fin ray structure
biology push + + + yes
(see A. 4)
®
Lotus-Effect
biology push + + + yes
(see A.5)
Self-sharpening cutting
technology
tools + + + yes
pull
(see A.6)
Art Nouveau
+/– +/– – no
(see A.7)
Fibonacci sequence
+/– +/– – no
(see A.8)
Olympia roof in Munich independent
– – – no
(see A.9) development
Reinforced concrete
+ – +/– no
(see A.10)
Result of optimization with
EA + – – no
(see A.3)
Soap film analogies independent
– – – no
(see A.11) development
a
Criteria 1 to 3 shall be fulfilled before “yes” is entered as the conclusion.
4 Reasons and occasions for using biomimetic methods
4.1 Possibilities, performance, and success factors for biomimetics
In the search for innovative solutions, biomimetics acts as a supplement to the classic methods for
developing new ideas and is a way of approaching scientific engineering work methods (see Reference [17],
Chapter 2). The diversity of biological solutions is particularly interesting for biomimetic developments.
Today, millions of species inhabit every type of environment and their amazing adaptations offer a
[18]
virtually infinite number of potentially relevant solutions from a technology point of view .
A general reason for the ability to transfer a biological property to a technical system is the fact that the
same physical laws and constants are valid in biology and in technology. The study of plants and animals
sometimes leads to problem solutions that are amazingly similar at first glance to the corresponding
technical solutions, but when subjected to more detailed analysis, often exhibit significant differences (see
Reference [19], p 477-478). Characteristics of biological structures include multi-criteria optimizations
with sometimes contradictory functions (multifunctionality) while simultaneously providing a high
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level of operational reliability, the ability to adapt to varia
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NORME ISO
INTERNATIONALE 18458
Première édition
2015-05-15
Biomimétique — Terminologie,
concepts et méthodologie
Biomimetics — Terminology, concepts and methodology
Numéro de référence
ISO 18458:2015(F)
©
ISO 2015

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ISO 18458:2015(F)

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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Termes et définitions . 1
3 Qu’est-ce que la biomimétique ? . 4
3.1 Bases de la biomimétique . 4
3.2 Limites et domaines de chevauchement avec les sciences associées . 4
3.3 Produits et processus biomimétiques . 5
4 Raisons et occasions pour l’utilisation de méthodes biomimétiques .7
4.1 Possibilités, performances et facteurs de réussite concernant la biomimétique . 7
4.2 Biomimétique et durabilité . 7
4.3 Limites de la biomimétique . 8
4.4 Processus de communication en biomimétique . 9
5 Processus d’ingénierie biomimétique . 9
5.1 Généralités . 9
5.2 Développement de nouvelles idées .11
5.3 Abstraction et analogie .13
5.4 Phase de planification à l’invention .15
6 Mise en œuvre de la biomimétique dans l’approche pour l’innovation .15
Annexe A (informative) Exemples .17
Bibliographie .25
© ISO 2015 – Tous droits réservés iii

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ISO 18458:2015(F)

Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de brevets reçues par
l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour
information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de
la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’OMC concernant
les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos — Informations
supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 266, Biomimétique.
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ISO 18458:2015(F)

Introduction
La biomimétique est considérée comme le transfert de méthodes de recherche et de développement
intéressantes vers des applications pratiques et qui utilise les connaissances acquises grâce à l’analyse
des systèmes biologiques pour trouver des solutions à des problèmes, créer de nouvelles inventions et
innovations, et pour transférer ces connaissances à des systèmes techniques. L’idée de transférer les
principes biologiques à la technologie constitue l’élément central de la biomimétique (voir l’Article 3
pour une définition de la biomimétique).
La motivation fondamentale qui sous-tend le transfert de solutions biologiques vers des applications
techniques est l’hypothèse selon laquelle les structures biologiques sont optimisées par rapport à leurs
besoins et peuvent être la source d’applications significatives et probantes. À ce jour, plus de 2,5 millions
d’espèces ont été identifiées et décrites en grande partie avec leurs caractéristiques spécifiques. En
termes de biomimétique, on dispose donc d’un gigantesque réservoir d’idées pour trouver des solutions
à des problèmes pratiques.
[1]
Historiquement, le développement de la biomimétique peut être divisé en phases de la manière suivante:
le concept de biomimétique basée sur des modèles a été introduit vers 1950; il était principalement
destiné à la conception et la construction d’aéronefs, de véhicules et de navires en utilisant des règles
de modélisation fondées sur la théorie de la similitude pour transférer les principes des systèmes
biologiques vers les conceptions techniques. Vers 1960, les deux piliers de la biomimétique (la biologie
et la technologie) ont été combinés linguistiquement pour la première fois en raison de l’influence de
la cybernétique et placés sur un socle linguistique et méthodologique commun. Ce socle est ensuite
devenu une base importante pour l’élément central de la biomimétique: le transfert des connaissances.
Depuis environ 1980, la biomimétique s’est également étendue à l’échelle micrométrique et à l’échelle
[2]
nanométrique (par exemple, le Lotus-EffectText ®) . Ces extensions étaient essentiellement dues aux
nouvelles méthodes de mesure des techniques de fabrication. Depuis les années 1990, la biomimétique
a connu un essor supplémentaire, dû notamment aux développements technologiques rapides dans les
domaines de l’informatique, des nanotechnologies, de la mécatronique et des biotechnologies. Dans bon
nombre de cas, ce sont les nouveaux développements dans ces domaines qui ont permis de hisser les
[3]
systèmes biologiques complexes à la première place .
Aujourd’hui, le domaine de la biomimétique est de plus en plus considéré comme une discipline scientifique
qui a donné naissance à de nombreuses innovations concernant les produits et les technologies. Ces
travaux collaboratifs interdisciplinaires, rassemblant des experts issus des domaines de la biologie, des
sciences de l’ingénierie et de nombreuses autres disciplines, présentent un potentiel particulièrement
[4]
élevé en matière d’innovation . C’est la raison pour laquelle la biomimétique est devenue à présent un
objet de recherche et d’enseignement dans de nombreuses universités et instituts de recherche externes.
Par ailleurs, les entreprises manufacturières se tournent également de plus en plus vers les méthodes
biomimétiques pour développer des nouveaux produits ou pour optimiser les produits existants. Malgré
le nombre croissant de chercheurs et d’utilisateurs actifs dans le domaine de la biomimétique, le transfert
des connaissances du domaine de la biologie à la technologie demeure un processus complexe qui place
la barre très haut pour les personnes impliquées.
La nature dispose d’un grand nombre de « solutions ingénieuses » qui peuvent être souvent comprises de
façon intuitive. Il est rarement facile d’expliquer les mécanismes sous-jacents, et notamment d’expliquer
comment ces mécanismes pourraient être appliqués à la technologie. Cette contradiction justifie la
[5]
pertinence actuelle et future de la biomimétique, qui se poursuivra lors des décennies à venir .
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NORME INTERNATIONALE ISO 18458:2015(F)
Biomimétique — Terminologie, concepts et méthodologie
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale fournit un cadre pour la terminologie concernant la biomimétique à
des fins scientifiques, industrielles et éducatives.
La présente Norme internationale est destinée à fournir un cadre approprié pour les applications
biomimétiques. Elle classifie et définit le domaine de la biomimétique, décrit de nombreux termes ainsi
que le processus d’application des méthodes biomimétiques au produit biomimétique à partir d’idées
nouvelles. Les limites et le potentiel de la biomimétique en tant qu’approche pour l’innovation ou en
tant que stratégie de développement durable sont également illustrés. En outre, la présente Norme
internationale donne un aperçu général des divers champs d’application et décrit la manière dont les
méthodes biomimétiques diffèrent des formes classiques de recherche et de développement. Si un
système technique fait l’objet d’un processus de développement conformément à la présente Norme
internationale, il est alors permis de le mentionner en tant que système « biomimétique ».
La présente Norme internationale fournit un guide et un soutien aux développeurs, concepteurs et
utilisateurs qui souhaitent comprendre le processus de développement biomimétique et intégrer les
méthodes biomimétiques dans leurs pratiques professionnelles visant à un langage commun entre
scientifiques et ingénieurs travaillant dans le domaine de la biomimétique. Le processus de développement
biomimétique peut être appliqué chaque fois que la nature a produit un système biologique assez
similaire au système technique visé qui peut être utilisé pour élaborer un équivalent technique.
2 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
2.1
abstraction
processus inductif dans lequel une conclusion générale est tirée sur la base de l’observation d’un
objet spécifique
Note 1 à l’article: En biomimétique, cette conclusion est théoriquement un contexte physique pour décrire les
principes fonctionnels et opératoires sous-jacents des systèmes biologiques
2.2
analogie
l’analogie, en termes de technologie, est considérée comme une similitude dans les relations entre les
paramètres appropriés utilisés pour décrire deux systèmes différents
Note 1 à l’article: Les spécifications des paramètres appropriés font l’objet d’une abstraction (2.1). Compte tenu de
sa définition dans le domaine de la biomimétique (2.9), l’un de ses deux systèmes est un système biologique (2.6) et
l’autre est le système technique visé.
Note 2 à l’article: En biologie, le terme « analogie » fait référence à des similitudes au niveau de caractéristiques
fonctionnelles entre des organismes différents qui ont résulté de la nécessité d’adaptation et non d’un lien
quelconque entre ces organismes. En revanche, les similitudes basées sur des dépendances relationnelles, et donc
sur des informations génétiques similaires, sont désignées par « homologies ». En biologie, le terme « analogie »
est compris de manière dynamique et met notamment l’accent sur les différences des points de départ de deux
développements évolutifs.
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2.3
analyse
examen systématique dans lequel le système biologique ou technique est décomposé en ses constituants
élémentaires, en utilisant des méthodes appropriées, suite à quoi les constituants élémentaires sont
organisés et évalués
Note 1 à l’article: L’opposé de l’analyse, compte tenu de son aspect de décomposition en parties individuelles, est
désigné par « synthèse » (recomposition).
2.4
bioingénierie
application des connaissances issues des sciences de l’ingénieur aux domaines de la médecine ou de la biologie
2.5
bio-inspiration
approche créative basée sur l’observation des systèmes biologiques (2.6)
Note 1 à l’article: La relation au système biologique (2.6) ne peut être que vague.
2.6
système biologique
groupe cohérent d’éléments observables issus du monde vivant, allant de l’échelle nanométrique à
l’échelle macrométrique
2.7
poussée biologique (biology push)
processus de développement biomimétique dans lequel les connaissances acquises grâce à la recherche
fondamentale dans de domaine de la biologie servent de point de départ et sont appliquées au
développement de nouveaux produits techniques
Note 1 à l’article: En technologie, la poussée biologique (biology push) est considérée comme un processus
ascendant (bottom-up).
Note 2 à l’article: Dans le protocole de recherche, la poussée biologique (biology push) est considérée comme
[6]
« axée sur les solutions » .
Note 3 à l’article: Voir également attrait technologique (technology pull) (2.19).
2.8
biomimétisme
philosophie et approches conceptuelles interdisciplinaires prenant pour modèle (2.15) la nature afin de
relever les défis du développement durable (2.17) (social, environnemental et économique)
2.9
biomimétique
coopération interdisciplinaire de la biologie et de la technologie ou d’autres domaines d’innovation
dans le but de résoudre des problèmes pratiques par le biais de l’analyse fonctionnelle des systèmes
biologiques (2.6), de leur abstraction (2.1) en modèles (2.15) ainsi que le transfert et l’application de ces
modèles à la solution
Note 1 à l’article: Les critères 1 à 3 du Tableau 1 doivent être remplis pour qu’un produit soit considéré comme
biomimétique.
2.10
bionique
discipline technique qui cherche à reproduire, améliorer ou remplacer des fonctions biologiques par
leurs équivalents électroniques et/ou mécaniques
2.11
composant
élément d’un ensemble qui ne peut pas être subdivisé davantage
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2.12
fonction
rôle joué par le comportement d’un système (2.18) dans un environnement
2.13
invention
acte consistant à créer quelque chose de nouveau ou à l’améliorer, ou produit de cette création
Note 1 à l’article: Une invention est donc différente d’une innovation, pour laquelle la diffusion sur le marché est
une condition préalable.
2.14
matériau
terme collectif désignant les substances nécessaires pour fabriquer et exploiter des machines, mais
également pour réaliser des constructions
Note 1 à l’article: Le terme « matériau » est utilisé dans le reste du document comme un terme général pour
désigner tous les matériaux et structures biologiques.
Note 2 à l’article: Il comprend les matières premières, les matériaux de travail (2.20), les produits semi-finis, les
fournitures connexes, les matériaux de production, ainsi que les pièces et les assemblages. Le terme « matériau »
est utilisé dans le sens de matériaux de travail (2.20).
Note 3 à l’article: Les matériaux biologiques sont des substances organiques et/ou minérales produites par
des organismes vivants. En raison de leur structure hiérarchique, du niveau moléculaire jusqu’au niveau
macroscopique, il n’est pas possible de faire clairement la distinction entre les termes « matériau » et « structure »
dans le domaine de la biologie.
2.15
modèle
abstraction cohérente et utilisable (2.1) issue de l’observation des systèmes biologiques (2.6)
2.16
structure
type et disposition des composants (2.11) dans un système (2.18)
2.17
durabilité
développement durable
mode de développement répondant aux besoins d’aujourd’hui sans compromettre la capacité des
générations futures à répondre à leurs propres besoins
Note 1 à l’article: La technologie de la nature est le concept de l’apprentissage de technologies respectueuses de
l’homme et de l’environnement, inspirées de l’équilibre parfait de la nature, exerçant une infime pression sur
[7]
l’environnement, hautement fonctionnelles et pérennes .
2.18
système
ensemble de composants (2.11) interactifs ou interdépendants formant un tout intégré avec une limite définie
2.19
attrait technologique (technology pull)
processus de développement biomimétique dans lequel un produit technique fonctionnel existant est
pourvu de fonctions nouvelles ou améliorées grâce au transfert et à l’application de principes biologiques
Note 1 à l’article: L’attrait technologique est considéré comme un processus descendant (top-down).
Note 2 à l’article: Dans le protocole de recherche, la poussée biologique (biology push) est considérée comme
[6]
« axée sur les problèmes » .
Note 3 à l’article: Voir également poussée biologique (biology push) (2.7).
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2.20
matériau de travail
matière première préparée dans un état formé ou non formé (état solide, liquide ou gazeux), utilisée pour
fabriquer des composants, des produits semi-finis, des fournitures connexes, ou des matériaux de production
3 Qu’est-ce que la biomimétique ?
3.1 Bases de la biomimétique
L’application réussie de la biomimétique se définit comme étant le transfert de connaissances et d’idées de
la biologie vers la technologie ou vers d’autres champs d’innovation, c’est-à-dire le développement pratique
inspiré de la nature qui passe habituellement par plusieurs étapes d’abstraction et de modification après
le point de départ biologique. Le caractère hautement interdisciplinaire et multidisciplinaire du domaine
de la biomimétique est indiqué par le niveau élevé de collaboration entre des experts issus des divers
domaines de la recherche, par exemple collaboration entre biologistes, chimistes, physiciens, ingénieurs
et spécialistes en sciences sociales.
Selon l’intensité avec laquelle elle est appliquée, la biomimétique peut être considérée comme une
discipline scientifique, un processus d’innovation, ou une technique de créativité. En management de
l’innovation, la biomimétique est utilisée comme une technique de créativité parmi d’autres. Cependant,
on ne réalise pas totalement son potentiel lorsqu’on la perçoit uniquement comme une technique de
créativité car, dans ce cas, le développement de nouvelles idées demeure souvent au niveau de la recherche
d’analogies évidentes entre des systèmes biologiques et des problèmes techniques, sans effectuer une
analyse systématique, une abstraction, ou un transfert de principe de fonctionnement.
Le processus d’innovation en biomimétique commence par faire le lien entre un système biologique et
une question technique spécifique. La spécificité de la biomimétique réside dans le fait qu’elle concentre
l’intérêt pour des connaissances issues du domaine de la biologie dans le but d’obtenir une mise en
œuvre technique réelle.
En biomimétique, l’intérêt conceptuel pour et la recherche sur le système biologique sont orientés de
manière à obtenir des applications. Les relations entre la structure et la fonction sont particulièrement
importantes dans ce contexte. Ces relations découlent principalement de l’analyse de la morphologie
fonctionnelle dans le cadre de la biologie organismique. La réussite d’un processus biomimétique
repose essentiellement sur la conception de l’interface entre la recherche biologique et l’ingénierie de
développement de procédés et de produits. La biomimétique ne se limite pas au transfert de résultats
biologiques analysés vers la technologie; elle couvre également l’application de la méthodologie
d’ingénierie aux systèmes biologiques, ainsi que l’intégration des connaissances relatives aux systèmes
biologiques dans les développements techniques. Un transfert efficace et multicouche des connaissances,
et notamment des méthodes, entre les disciplines constitue donc la base pour un processus de
développement biomimétique qui a abouti.
La biomimétique est fondée sur la recherche fondamentale dans le domaine de la biologie. Dans la
mesure où elle se focalise essentiellement sur les applications, la biomimétique intègre principalement
la recherche orientée vers les applications et la recherche appliquée dans le développement réel du
produit ou du processus.
Dans la mesure où elle constitue intrinsèquement un type de processus d’innovation, la biomimétique
est en train de devenir actuellement une discipline scientifique à part entière. D’une part, elle développe
de façon régulière un système de déclarations scientifiques, de théories et de méthodes reliées entre
elles; d’autre part, des associations, des instituts de recherche et d’enseignement ainsi que des outils
de communication sont en train d’être mis en place par certains groupes de personnes réunis sous la
bannière de la biomimétique.
3.2 Limites et domaines de chevauchement avec les sciences associées
L’expression « biologie technique » (technical biology) a été introduite par Werner Nachtigall pour
[8]
la distinguer de la biomimétique . La biologie technique se compose des sciences de l’ingénierie
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ainsi que de l’analyse des relations structure/fonction entre objets biologiques à l’aide d’approches
méthodologiques empruntées à la physique. Par conséquent, la biologie technique constitue le point
de départ de nombreux projets de recherche en biomimétique car elle permet une compréhension plus
approfondie du mode de fonctionnement du système biologique au niveau quantitatif ainsi qu’une mise
en œuvre appropriée dans des applications techniques.
Au cours des dernières années, on s’est aperçu que les connaissances acquises grâce à la mise en œuvre
de principes de fonctionnement inspirés de la biologie dans des produits et technologies biomimétiques
innovants pouvaient contribuer à une meilleure compréhension des systèmes biologiques. Ce processus
de transfert depuis la biomimétique vers la biologie, dont la découverte est relativement récente, peut
être désigné par « biomimétique inverse ». Contrairement à la biologie technique, la biomimétique inverse
n’applique pas des méthodes d’ingénierie et des outils d’analyse classiques aux systèmes biologiques;
elle utilise plutôt des prototypes biomimétiques dans leur ensemble et/ou la simulation de leur méthode
de fonctionnement comme modèles explicatifs ou modèles d’étude pouvant faciliter la compréhension
de la biologie sous-jacente. Dans un processus itératif, les méthodes de biologie technique sont ensuite
appliquées une nouvelle fois lors de l’étape suivante afin d’essayer ce modèle explicatif neuf ou étendu
sur le système biologique. Les connaissances nouvellement acquises sur les structures et les fonctions
biologiques sont appliquées au développement de produits et technologies biomimétiques améliorés
qui, à leur tour, servent de modèles biomimétiques améliorés auxquels la biomimétique inverse peut
être appliquée, etc. Cela aboutit à de nouvelles connaissances sous la forme d’une spirale heuristique de
[9]
biologie technique, de biomimétique et de biomimétique inverse .
La limite séparant la biomimétique et la biotechnologie est également importante. La biomimétique et
la biotechnologie sont des domaines de recherche biologique appliquée (biologie translationnelle). La
biotechnologie est considérée comme l’application de principes scientifiques et techniques pour convertir
des substances à l’aide d’agents biologiques dans le but de fournir des biens et des services (basée
[10]
sur la Référence ). Par contre, la biomimétique utilise des organismes vivants comme générateurs
d’idées pour les mises en œuvre de techniques innovantes, mais les organismes eux-mêmes ne sont
pas nécessairement impliqués dans la fabrication de produits biomimétiques. Bien que les concepts de
biotechnologie et de biomimétique ne soient pas identiques, ils doivent être combinés, comme cela a été
démontré par des projets de recherche sur le développement de soie d’araignée artificielle, par exemple,
voir la Référence [11] (voir Tableau 1 et A.2).
La biomimétique est une science hautement interdisciplinaire présentant de nombreuses facettes.
En fait, il existe également des publications qui contiennent une terminologie biomimétique dans
les sciences économiques et dans le management des organisations et qui, sur la base de l’analyse de
systèmes biologiques, font des suggestions pour l’amélioration des systèmes concepts et des stratégies
[12][13][14]
existantes . Toutefois, il n’est pas toujours facile d’identifier l’aspect lié à la technologie dans
ces domaines vu qu’il est utilisé dans la définition de la biomimétique, ou qu’il peut être nécessaire
d’étendre la définition du terme « technologie »pour l’identifier.
En revanche, des secteurs de recherche traitant uniquement d’éléments inanimés de la nature (géo-
inspirés) sont incompatibles avec la définition de la biomimétique fournie ci-dessus. Cela comprend,
par exemple, la recherche sur les cristaux de neige qui peuvent fournir des informations intéressantes
[15]
pour la production de nanostructures telles que celles requises pour les micropuces ou pour le
développement de matériaux absorbants acoustiques.
L’utilisation de formes conçues sur la base des seuls systèmes biologiques ne peut pas être considérée
comme une approche biomimétique, en particulier lorsque, vues de l’extérieur, les formes semblent
basées sur une forme trouvée dans la nature alors que, dans les faits, elles sont basées sur une technologie
OAO (optimisation assistée par ordinateur) sophistiquée ou sur d’autres méthodes mathématiques
pour la conception des surfaces, par exemple. Dans ces cas, la biomimétique n’intervient que lorsque
la conception de la forme fait partie intégrante de la fonctionnalité développée selon des principes
biomimétiques.
3.3 Produits et processus biomimétiques
La décision portant sur le fait qu’un produit ou une technologie peut être considéré ou non comme
biomimétique peut être prise en se fondant sur trois critères (étapes) (voir Tableau 1).
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Un produit ne peut être considéré comme biomimétique que si, et seulement si, les trois étapes ci-dessous
définissant le processus biomimétique sont suivies:
— une analyse fonctionnelle d’un système biologique disponible a été effe
...