Les ingénieurs ont développé un matériau inspiré de la cotte de mailles qui peut passer d’un état pliable et fluide à des formes solides spécifiques sous pression. Crédit : Caltech
Ingénieurs de Caltech et JPL ont développé un matériau inspiré de la cotte de mailles qui peut passer d’un état pliable et fluide à des formes solides spécifiques sous pression.
Le matériau a des applications potentielles en tant que tissu intelligent pour les exosquelettes, ou en tant que plâtre adaptatif qui ajuste sa rigidité à mesure qu’une blessure guérit, ou même en tant que pont déployable qui pourrait être déroulé et raidi, selon Chiara Daraio, professeur G. Bradford Jones de Caltech. of Mechanical Engineering and Applied Physics et auteur correspondant d’une étude décrivant le matériel qui a été publié dans La nature le 11 août.
Nous voulions fabriquer des matériaux qui peuvent changer de rigidité sur commande », explique Daraio. « Nous aimerions créer un tissu qui passe de doux et pliable à rigide et porteur de manière contrôlable. » Un exemple de la culture populaire serait la cape de Batman du film de 2005 Batman commence, qui est généralement flexible mais peut être rendu rigide à volonté lorsque le Caped Crusader en a besoin comme surface de glisse.
Un matériau fait d’octaèdres liés. Crédit : Caltech
Des matériaux qui changent de propriétés de manière similaire existent déjà tout autour de nous, note Daraio. « Pensez au café dans un sac sous vide. Lorsqu’il est encore emballé, il est solide, via un processus que nous appelons « brouillage ». Mais dès que vous ouvrez l’emballage, les marcs de café ne sont plus coincés les uns contre les autres et vous pouvez les verser comme s’il s’agissait d’un liquide », explique-t-elle.
Le marc de café individuel et les particules de sable ont des formes complexes mais déconnectées et ne peuvent se coincer que lorsqu’ils sont comprimés. Les feuilles d’anneaux liés, cependant, peuvent se coincer sous les deux compressions et tension (lorsqu’ils sont poussés ensemble ou séparés). « C’est la clé », dit Daraio. « Nous avons testé un certain nombre de particules pour voir lesquelles offraient à la fois de la flexibilité et une rigidité réglable, et celles qui ne se coincent que sous un type de contrainte avaient tendance à mal fonctionner. »
Pour explorer quels matériaux fonctionneraient le mieux, Daraio, avec l’ancien chercheur postdoctoral de Caltech Yifan Wang et l’ancien étudiant diplômé de Caltech Liuchi Li (PhD ’19) en tant que co-auteurs principaux du La nature papier, a conçu un certain nombre de configurations de particules liées, des anneaux de liaison aux cubes de liaison en passant par les octaèdres de liaison (qui ressemblent à deux pyramides connectées à la base). Les matériaux ont été imprimés en 3D à partir de polymères et même de métaux, avec l’aide de Douglas Hofmann, scientifique principal au JPL, que Caltech gère pour Nasa. Ces configurations ont ensuite été simulées dans un ordinateur avec un modèle du groupe de José E. Andrade, professeur George W. Housner de génie civil et mécanique et expert résident de Caltech en modélisation de matériaux granulaires.
Tester la résistance aux chocs du matériau lorsqu’il est débloqué (mou). Crédit : Caltech
Tester la résistance aux chocs du matériau en cas de coincement (rigide). Crédit : Caltech
« Les matériaux granulaires sont un bel exemple de systèmes complexes, où des interactions simples à l’échelle du grain peuvent conduire à un comportement complexe sur le plan structurel. Dans cette application de courrier en chaîne, la capacité de transporter des charges de traction à l’échelle du grain change la donne. C’est comme avoir une corde qui peut supporter des charges de compression. La possibilité de simuler un comportement aussi complexe ouvre la porte à une conception structurelle et à des performances extraordinaires », explique Andrade.
Les ingénieurs ont appliqué une contrainte extérieure, en comprimant les tissus à l’aide d’une chambre à vide ou en laissant tomber un poids pour contrôler le coincement du matériau. Dans une expérience, un tissu de cotte de mailles verrouillé sous vide a pu supporter une charge de 1,5 kilogramme, plus de 50 fois le poids du tissu. Les tissus qui présentaient les plus grandes variations de propriétés mécaniques (de flexible à rigide) étaient ceux avec un plus grand nombre moyen de contacts entre les particules, tels que des anneaux et des carrés liés, semblables à la cotte de mailles médiévale.
« Ces tissus ont des applications potentielles dans les équipements portables intelligents : lorsqu’ils sont débloqués, ils sont légers, conformes et confortables à porter ; après la transition de brouillage, ils deviennent une couche de soutien et de protection sur le corps du porteur », explique Wang, maintenant professeur adjoint à l’Université technologique de Nanyang à Singapour.
Lorsqu’il est raidi, le matériau a le potentiel d’agir comme un pont solide. Crédit : Caltech
Dans l’exemple d’un pont qui pourrait être déroulé puis traversé, Daraio envisage de faire passer des câbles à travers le matériau qui se resserrent ensuite pour bloquer les particules. “Pensez à ces câbles comme aux cordons d’un sweat à capuche”, dit-elle, notant qu’elle explore maintenant ce schéma de câbles et d’autres possibilités.
Parallèlement à des travaux sur les surfaces dites intelligentes, qui sont des surfaces pouvant changer de forme en configurations spécifiques à volonté, Daraio, en collaboration avec le chercheur postdoctoral Ke Liu et l’étudiant invité Felix Hacker, a récemment démontré une méthode pour contrôler la forme d’une surface en intégrant des réseaux. d’élastomères à cristaux liquides (LCE) sensibles à la chaleur, de fines bandes de polymère qui rétrécissent lorsqu’elles sont chauffées. Ces LCE contiennent des serpentins chauffants extensibles qui peuvent être chargés de courant électrique, ce qui les chauffe et les fait se contracter. Au fur et à mesure que les LCE se contractaient, ils tiraient sur le matériau flexible dans lequel ils étaient intégrés et le comprimaient en une forme solide prédéfinie.
Cet ouvrage, qui a été publié le 7 avril dans la revue Robotique scientifique, pourrait être utile pour la collaboration à distance lorsqu’un composant physique de la collaboration est nécessaire, les dispositifs médicaux et l’haptique (qui utilisent la technologie pour simuler la sensation physique pour la réalité virtuelle). Ensuite, l’équipe prévoit de miniaturiser et d’optimiser la conception des tissus structurés et des systèmes intelligents pour les rapprocher des applications pratiques.
Les références:
« Tissus structurés à propriétés mécaniques accordables » par Yifan Wang, Liuchi Li, Douglas Hofmann, José E. Andrade et Chiara Daraio, 11 août 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03698-7
« Surfaces robotiques à contrôle spatio-temporel réversible pour le morphing de forme et la manipulation d’objets » par Ke Liu, Felix Hacker et Chiara Daraio, 7 avril 2021, Robotique scientifique.
DOI : 10.1126/scirobotics.abf5116
Les La nature Le papier est intitulé « Tissus structurés avec des propriétés mécaniques ajustables ». La recherche a été soutenue par le Foster et Coco Stanback Space Innovation Fund de Caltech, Facebook et le Army Research Office.
Les Robotique scientifique L’article s’intitule « Surfaces robotiques avec contrôle spatio-temporel réversible pour le morphing de forme et la manipulation d’objets ». La recherche a été financée par la National Science Foundation et le Army Research Office.
