Les scientifiques sont souvent formés pour rechercher la meilleure solution absolue à un problème donné. Sur un tableau noir, cela pourrait ressembler à dessiner un graphique pour trouver le point minimum ou maximum d’une fonction. Lors de la conception d’un turboréacteur, cela peut impliquer de modifier légèrement les angles des pales du rotor pour obtenir un dixième de pour cent d’augmentation de l’efficacité.
Adrian Bejan, professeur émérite JA Jones de génie mécanique à l’Université Duke, était occupé à faire la démonstration du premier pour une classe pleine d’étudiants lorsqu’une pensée l’a frappé : ce n’est pas ainsi que la nature fonctionne. L’évolution est une séquence de changements de conception qui se produisent d’eux-mêmes dans une direction discernable ; il ne se marie jamais à un seul point sur une planche à dessin.
Un système ou un animal en évolution est libre d’aller simplement avec ce qui fonctionne. Pas tant que ses performances en pâtissent énormément, mais suffisamment pour qu’il ouvre l’accès à d’autres options proches de la conception dite optimale.
Alors que la science se tourne souvent vers la nature pour trouver des indices pour résoudre des problèmes, Bejan s’est demandé s’il ne pouvait pas regarder dans la direction opposée, pour prédire la nature avant de la regarder. Si les résolveurs de problèmes et les constructeurs étaient libres de rater la note la plus élevée absolue, quelle serait la gamme de conceptions qu’ils jugent plausibles ?
C’est la question que Bejan pose dans un nouvel article publié en ligne le 16 mai dans la revue Biosystèmes. En utilisant deux exemples relativement simples – des passerelles transportant des passagers d’un train et un oiseau battant des ailes – il découvre que la réponse est « beaucoup ».
« Dans l’ingénierie, le design, le théâtre, l’architecture ou même l’organisation de cette université, toute forme de design bénéficie de la capacité de prendre des décisions bonnes mais imparfaites et de la liberté de passer à autre chose et d’envisager d’autres opportunités d’amélioration », a déclaré Bejan. « Si l’on est attaché à l’idée du meilleur absolu, rien de nouveau ne sera jamais créé. »
Dans l’article, Bejan examine d’abord l’exemple de passagers arrivant en train et traversant une pièce avec de nombreux points de sortie. La surface totale de la pièce restant constante mais la longueur et la largeur de la pièce étant libres de changer, il trouve la forme optimale de la pièce pour amener tous les passagers là où ils vont le plus rapidement. Avec les équations de solution en main, il montre que fournir même 1 % de marge de manœuvre pour les imperfections loin des meilleures performances ouvre l’espace de conception de 28 %.
Dans son deuxième exemple, Bejan examine le mouvement de battement des oiseaux à une altitude et une vitesse presque constantes. Compte tenu des différentes forces impliquées – traînée pendant le vol plané, portance créée par la taille des ailes, la vitesse et la taille du corps, entre autres – il formule une équation pour le rythme des ailes nécessaire pour maintenir une vitesse constante avec un minimum d’effort. Bien qu’une réponse optimale existe, Bejan montre une fois de plus que le fait d’autoriser seulement 1 % d’imperfection au-dessus de l’effort minimum théorique ouvre l’espace de conception de 20 %.
Bejan dit qu’il a choisi ces exemples parce qu’ils impliquaient de ne changer qu’une seule variable, un seul degré de liberté – la forme d’une pièce ou le rythme de battement d’une aile. Dans des exemples plus complexes qui impliquent de nombreuses variables, ces minuscules tolérances d’imperfection créent une gamme encore plus large de solutions « assez bonnes ».
La leçon apprise est que la science a maintenant une idée prédictive du fonctionnement de la nature. En se concentrant moins sur la recherche de conceptions optimales absolues, les chercheurs peuvent utiliser la liberté d’évoluer de manière itérative vers des concepts de conception entièrement nouveaux qui n’auraient autrement pas été à leur portée. Il donne également aux conceptions, aux méthodes et à des domaines d’étude entiers la capacité de s’adapter à un monde en mutation.
« La doctrine de chasser le meilleur design n’est pas utile », a déclaré Bejan. « L’enseignement de la science devrait aller de pair avec la liberté de tirer, de frapper à proximité de la cible et d’avancer. L’objectif final n’est pas seulement de frapper dans le mille, mais de garder plus de flèches dans votre carquois. continuer à prendre des photos sur une longue période de temps. »
Plus d’information:
Adrian Bejan, La perfection est l’ennemie de l’évolution, Biosystèmes (2023). DOI : 10.1016/j.biosystems.2023.104917