Cette structure plate se transforme en visage humain lorsque la température change.

Les chercheurs du MIT et d’ailleurs ont conçu des structures en mailles imprimées en 3D qui se transforment de couches plates en formes prédéterminées, en réponse aux changements de la température ambiante. Les nouvelles structures peuvent se transformer en configurations plus complexes que ce que d’autres matériaux et structures à forme changeante peuvent réaliser.

En guise de démonstration, les chercheurs ont imprimé un treillis plat qui, lorsqu’il est exposé à une certaine différence de température, se déforme en forme de visage humain. Ils ont également conçu un treillis incrusté de métal liquide conducteur qui se transforme en dôme pour former une antenne active dont la fréquence de résonance change en se déformant.

La nouvelle méthode de conception de l’équipe peut être utilisée pour déterminer le motif spécifique des structures à mailles plates à imprimer, compte tenu des propriétés du matériau, afin de transformer la structure en une forme souhaitée.

Les chercheurs affirment qu’en bout de ligne, leur technique peut être utilisée pour concevoir des structures déployables, comme des tentes ou des revêtements qui se déploient et se gonflent automatiquement en fonction des changements de température ou d’autres conditions ambiantes.

De telles structures complexes et changeantes pourraient également être utilisées comme endoprothèses ou échafaudages pour les tissus artificiels, ou comme lentilles déformables dans les télescopes. Wim van Rees, professeur assistant de génie mécanique au MIT, voit également des applications en robotique douce.

« J’aimerais que cela soit incorporé, par exemple, dans une méduse robotique qui change de forme pour nager au fur et à mesure que nous la mettons dans l’eau « , dit van Rees. « Si vous pouviez l’utiliser comme un actionneur, comme un muscle artificiel, l’actionneur pourrait être n’importe quelle forme arbitraire qui se transforme en une autre forme arbitraire. Alors vous entrez dans un tout nouvel espace de conception en robotique douce. »

M. Van Rees et ses collègues publient leurs résultats cette semaine dans le site Web de l Actes de l’Académie nationale des sciences. Ses co-auteurs sont J. William Boley de l’Université de Boston, Ryan Truby, Arda Kotikian, Jennifer Lewis et L. Mahadevan de l’Université Harvard, Charles Lissandrello du Draper Laboratory et Mark Horenstein de l’Université de Boston.

Limite de l’emballage cadeau

Il y a deux ans, van Rees a mis au point un concept théorique pour transformer une mince feuille plate en une forme complexe telle qu’un visage humain. Jusque-là, les chercheurs dans le domaine des matériaux 4-D – des matériaux conçus pour se déformer avec le temps – avaient développé des moyens pour que certains matériaux changent, ou se transforment, mais seulement en structures relativement simples.

Mon but était de commencer avec une forme 3D complexe que nous voulons obtenir, comme un visage humain, puis de demander :  » Comment programmer un matériau pour qu’il arrive à destination « , explique van Rees. « C’est un problème de conception inverse. »

Il a trouvé une formule pour calculer l’expansion et la contraction que les régions d’une feuille de matériau bicouche devrait atteindre afin d’atteindre une forme souhaitée, et a développé un code pour simuler cela dans un matériau théorique. Il a ensuite mis la formule en pratique et a visualisé comment la méthode pouvait transformer un disque plat et continu en un visage humain complexe.

Mais lui et ses collaborateurs ont rapidement constaté que la méthode ne s’appliquerait pas à la plupart des matériaux physiques, du moins s’ils essayaient de travailler avec des feuilles continues. Tandis que van Rees utilisait une tôle continue pour ses simulations, elle était d’un matériau idéalisé, sans contrainte physique sur le degré d’expansion et de contraction qu’elle pouvait atteindre. La plupart des matériaux, en revanche, ont des capacités de croissance très limitées. Cette limitation a des conséquences profondes sur une propriété connue sous le nom de double courbure, c’est-à-dire une surface qui peut courber simultanément dans deux directions perpendiculaires – un effet qui est décrit dans un théorème de presque 200 ans par Carl Friedrich Gauss appelé Theorema Egregium, latin pour « Remarkable Theorem ».

Si vous avez déjà essayé d’emballer un ballon de football dans un emballage cadeau, vous avez fait l’expérience de ce concept dans la pratique : Pour transformer le papier, qui n’a aucune courbure, en forme de boule, qui a une double courbure positive, vous devez froisser et froisser le papier sur les côtés et le fond pour envelopper complètement la boule. En d’autres termes, pour que la feuille de papier s’adapte à une forme à double courbure, il faudrait qu’elle s’étire ou se contracte, ou les deux, aux endroits nécessaires pour envelopper une balle uniformément.

Pour conférer une double courbure à une feuille à forme variable, les chercheurs ont fait passer la base de la structure d’une feuille continue à un treillis, ou treillis. L’idée était double : premièrement, une flexion des nervures du treillis induite par la température entraînerait des dilatations et des contractions des nœuds de mailles beaucoup plus importantes que celles que l’on pourrait obtenir dans une feuille continue. Deuxièmement, les vides dans le treillis peuvent facilement s’adapter à d’importants changements de surface lorsque les nervures sont conçues pour croître à différentes vitesses sur la feuille.

Les chercheurs ont également conçu chaque nervure individuelle du treillis de façon à ce qu’elle se plie d’un degré prédéterminé afin de créer, par exemple, la forme d’un nez plutôt que celle d’une orbite.

Pour chaque côte, ils ont incorporé quatre côtes plus maigres, en en disposant deux pour les aligner les unes sur les autres. Les quatre miniribs ont été fabriqués à partir de variations soigneusement sélectionnées du même matériau de base, pour calibrer les différentes réponses requises à la température.

Lorsque les quatre miniribs étaient reliés ensemble dans le processus d’impression pour former une nervure plus grande, la nervure dans son ensemble pouvait se courber en raison de la différence de réponse en température entre les matériaux des petites nervures : Si un matériau est plus sensible à la température, il peut préférer s’allonger. Mais parce qu’elle est liée à une nervure moins sensible, qui résiste à l’allongement, c’est toute la nervure qui va s’incurver.

Les chercheurs peuvent jouer avec la disposition des quatre côtes pour « préprogrammer » si la côte dans son ensemble se courbe vers le haut pour faire partie d’un nez ou si elle plonge vers le bas comme partie d’une orbite.

Formes déverrouillées

Pour fabriquer un treillis qui prend la forme d’un visage humain, les chercheurs ont commencé par une image en trois dimensions d’un visage – pour être précis, le visage de Gauss, dont les principes de géométrie sous-tendent en grande partie l’approche de l’équipe. À partir de cette image, ils ont créé une carte des distances qu’une surface plane devrait parcourir pour s’élever ou s’abaisser en fonction de la forme du visage. Van Rees a ensuite mis au point un algorithme pour traduire ces distances en un réseau avec un motif spécifique de nervures et des ratios de miniribs dans chaque nervure.

L’équipe a imprimé le treillis à partir de PDMS, un matériau caoutchouteux commun qui se dilate naturellement lorsqu’il est exposé à une augmentation de température. Ils ont ajusté la sensibilité du matériau à la température en infusant une solution de fibres de verre dans l’une des solutions, ce qui l’a rendu physiquement plus rigide et plus résistant à un changement de température. Après avoir imprimé les motifs en treillis du matériau, ils ont durci le treillis dans un four à 250 degrés Celsius, puis l’ont sorti et l’ont placé dans un bain d’eau salée, où il s’est refroidi à la température ambiante et a pris la forme d’un visage humain.

Avec l’aimable autorisation des chercheurs

L’équipe a également imprimé un disque en treillis fait de nervures incrustées d’une encre métallique liquide – une sorte d’antenne qui changeait de fréquence de résonance lorsque le treillis se transformait en dôme.

M. Van Rees et ses collègues étudient actuellement des moyens d’appliquer la conception d’un système complexe de changement de forme à des matériaux plus rigides, pour des applications plus robustes, telles que des tentes sensibles à la température et des ailerons et ailes automoteurs.

Cette recherche a été appuyée, en partie, par la National Science Foundation et le Draper Laboratory.