Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un matériau à changement de forme qui peut prendre et conserver n’importe quelle forme possible, ouvrant la voie à un nouveau type de matériau multifonctionnel qui pourrait être utilisé dans une gamme d’applications, de la robotique et de la biotechnologie à l’architecture. Crédit : Harvard SEAS
Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un matériau à changement de forme qui peut prendre et conserver n’importe quelle forme possible, ouvrant la voie à un nouveau type de matériau multifonctionnel qui pourrait être utilisé dans une gamme d’applications, de la robotique et de la biotechnologie à l’architecture.
La recherche est publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
« Les matériaux et les structures à changement de forme d’aujourd’hui ne peuvent faire la transition qu’entre quelques configurations stables, mais nous avons montré comment créer des matériaux structuraux qui ont une gamme arbitraire de capacités de morphing de forme », a déclaré L Mahadevan, professeur de mathématiques appliquées à Lola England de Valpine. , de Biologie Organismique et Évolutionnaire, et de Physique et auteur principal de l’article. “Ces structures permettent un contrôle indépendant de la géométrie et de la mécanique, posant les bases de l’ingénierie des formes fonctionnelles à l’aide d’un nouveau type de cellule unitaire morphable.”
Les chercheurs de SEAS ont surnommé ce matériau « totimorphe » en raison de sa capacité à se transformer en n’importe quelle forme stable. Les chercheurs ont connecté des cellules unitaires individuelles avec des articulations naturellement stables, créant des structures 2D et 3D à partir de cellules totimorphes individuelles.
L’un des plus grands défis dans la conception de matériaux de morphing de forme est d’équilibrer les besoins apparemment contradictoires de conformabilité et de rigidité. La conformabilité permet la transformation vers de nouvelles formes, mais si elle est trop conforme, elle ne peut pas maintenir les formes de manière stable. La rigidité aide à verrouiller le matériau en place, mais s’il est trop rigide, il ne peut pas prendre de nouvelles formes.
L’équipe a commencé avec une cellule unitaire de stabilité neutre avec deux éléments rigides, une jambe de force et un levier, et deux ressorts élastiques extensibles. Si vous avez déjà vu le début d’un Film Pixar, vous avez vu un matériau neutre stable. La tête de lampe Pixar est stable dans n’importe quelle position car la force de gravité est toujours contrecarrée par des ressorts qui s’étirent et se compriment de manière coordonnée, quelle que soit la configuration de la lampe. En général, les systèmes neutres stables, une combinaison d’éléments rigides et élastiques équilibre l’énergie des cellules, rendant chacune neutre stable, ce qui signifie qu’elles peuvent faire la transition entre un nombre infini de positions ou d’orientations et être stables dans n’importe laquelle d’entre elles.
Dans cette cellule neutre stable, une combinaison d’éléments rigides et élastiques équilibre l’énergie de la cellule, lui permettant de faire la transition entre un nombre infini de positions ou d’orientations et d’être stable dans n’importe laquelle d’entre elles.
“En ayant une cellule unitaire neutre et stable, nous pouvons séparer la géométrie du matériau de sa réponse mécanique au niveau individuel et collectif”, a déclaré Gaurav Chaudhary, chercheur postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l’article. « La géométrie de la cellule unitaire peut être modifiée en modifiant à la fois sa taille globale ainsi que la longueur de la seule entretoise mobile, tandis que sa réponse élastique peut être modifiée en faisant varier soit la rigidité des ressorts dans la structure, soit la longueur de la entretoises et maillons.
Les chercheurs ont qualifié l’assemblage de «matériaux totimorphes» en raison de leur capacité à se transformer en n’importe quelle forme stable. Les chercheurs ont connecté des cellules unitaires individuelles avec des articulations naturellement stables, créant des structures 2D et 3D à partir de cellules totimorphes individuelles.
Les chercheurs ont utilisé à la fois la modélisation mathématique et des démonstrations dans le monde réel pour montrer la capacité de changement de forme du matériau. L’équipe a démontré qu’une seule feuille de cellules totimorphes peut se courber, se tordre en une hélice, se transformer en deux visages distincts et même supporter un poids.
“Nous montrons que nous pouvons assembler ces éléments en structures qui peuvent prendre n’importe quelle forme avec des réponses mécaniques hétérogènes”, a déclaré S. Ganga Prasath, stagiaire postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l’article. « Étant donné que ces matériaux sont ancrés dans la géométrie, ils pourraient être réduits pour être utilisés comme capteurs en robotique ou en biotechnologie ou pourraient être agrandis pour être utilisés à l’échelle architecturale.
« Tous ensemble, ces totimorphes ouvrent la voie à une nouvelle classe de matériaux dont la réponse à la déformation peut être contrôlée à plusieurs échelles », a déclaré Mahadevan.
Référence : « Totimorphic assemblys from neutrally stable units » par Gaurav Chaudhary, S. Ganga Prasath, Edward Soucy et L. Mahadevan, 19 octobre 2021, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2107003118
La recherche a été co-écrite par Edward Soucy.
