Stable dans toutes sortes de formes

Depuis de nombreuses années, les chercheuses et chercheurs tentent de créer des structures qui peuvent prendre différentes formes stables selon les besoins. L'objectif de la création de ces structures multi-stables, comme on les appelle, est de construire des objets tridimensionnels qui peuvent passer d'une forme à l'autre selon les besoins. Cela ouvrirait la voie à la réalisation, par exemple, d'éléments adaptables ou de grands objets qui peuvent changer de forme et prendre moins de place pendant le transport.

Mais la percée a été longue à venir. En effet, les solutions précédentes étaient soit très complexes à produire, soit ne pouvaient être remodelées qu'une seule fois, soit nécessitaient un apport continu d'énergie pour conserver leur nouvelle forme.

Une solution remarquablement simple

Giada Risso, doctorante au sein du groupe Matériaux composites et structures adaptatives dirigé par Paolo Ermanni, a récemment présenté une nouvelle approche qui permet de surmonter ces inconvénients dans un article publié dans la revue Advanced Science. «L'un de mes principaux objectifs était de développer une structure plate, multi-stable et facile à fabriquer», explique-t-elle. Et la solution est remarquablement simple: il s'agit de coller un cadre composite plat sur un film thermoplastique souple et pré-étiré en polyuréthane. «Une surface plane et une pince pour pré-étirer le film, c'est tout ce qu'il faut», explique Giada Risso.

En tenant dans vos mains une structure fabriquée de cette manière, vous pouvez la plier à partir de son état plat d'origine pour lui donner une forme qu'elle conservera sans autre aide. Vous pouvez ensuite changer à nouveau sa forme et la structure conservera à nouveau cette nouvelle forme toute seule. Vous pouvez ensuite rétablir la forme initiale par une manœuvre tout aussi simple.

Un cadre en fibres de carbone

Mais comment est-il possible de remodeler cette structure avec autant de souplesse pour obtenir différents états stables? Giada Risso a découvert que tout dépend du matériau choisi pour le cadre: «Nos meilleurs résultats ont été obtenus avec un matériau composite à base de fibres de carbone. Cela nous permet de produire une structure qui peut réellement prendre plusieurs états stables.» La fabrication d'un cadre en fibres de verre, en revanche, produit beaucoup moins de formes stables. De tous les matériaux de cadre testés, l'acier a obtenu les pires résultats, ne parvenant pas à produire un seul autre état stable.

Dans son article, Giada Risso décrit la théorie qui explique pourquoi les différents matériaux donnent des résultats si différents. «Les fibres de carbone sont très anisotropes, ce qui signifie qu'elles ont des propriétés très différentes selon les axes. En d'autres termes, elles présentent des degrés de rigidité différents selon la direction dans laquelle vous les pliez. C'est cette anisotropie qui est fondamentale pour créer une forme multi-stable.» Contrairement aux fibres de carbone, l'acier est isotrope, c'est pourquoi il ne convient pas à la création de formes multi-stables.

Modélisation des chenilles

Le composant fondamental de la nouvelle structure est un élément carré, qui peut être complété par d'autres éléments carrés à volonté. Comme chaque carré individuel peut prendre une variété d'états stables, leur combinaison donne lieu à un grand nombre de formes possibles.

L'étape suivante a consisté à équiper une structure périodique composée de 16 carrés de ce que l'on appelle des actionneurs pneumatiques. Ceux-ci fonctionnent de la même manière qu'un ballon unilatéral, qui ne se dilate que d'un côté lorsqu'il est alimenté en air. En forçant l'air dans certains actionneurs, la structure se plie pour créer la forme désirée. Grâce à une série d'expériences, Giada Risso a pu montrer que cela pouvait recréer les mouvements ondulatoires d'une chenille.

Giada Risso pense que ces structures peuvent être utilisées à de nombreuses reprises, notamment pour la fabrication de façades de bâtiments reconfigurables et de robots. Mais selon elle, c'est l'industrie spatiale qui présente le plus grand intérêt: «Cette industrie utilise déjà des matériaux composites légers et s'appuie sur le fait de disposer de matériaux compacts et facilement adaptables.» La nouvelle approche pourrait être utilisée pour construire des antennes ou des panneaux solaires qui peuvent être dépliés et configurés après leur arrivée dans l'espace.

Une variété infinie

Qui plus est, le principe peut être appliqué à d'autres éléments que les éléments de base carrés. Dans un autre article, Giada Risso a prouvé qu'il fonctionne également avec tout autre polygone. Cela élargit considérablement l'éventail des applications potentielles. «Qui sait, peut-être utiliserons-nous ces structures pour construire des figures cubiques qui se transformeront en structures tridimensionnelles exotiques en un clin d'œil», dit-elle en souriant.

Avec sa myriade de possibilités, il est indéniable que ce nouveau concept enflamme l'imagination. «Je ne pourrai pas épuiser toutes les possibilités car je dois maintenant me concentrer sur la fin de mes études de doctorat», explique Giada Risso. Elle a l'intention d'utiliser le temps qui lui reste pour résoudre quelques autres questions de recherche, par exemple en s'appuyant sur ses connaissances en mathématiques appliquées pour déterminer à quel point un état stable est réellement stable. Un autre sujet crucial qu'elle souhaite explorer plus en détail est la vitesse à laquelle les structures changent de forme. «Dans de nombreuses applications, il est important que la forme ne change pas trop brusquement, mais qu'elle passe d'un état à l'autre de manière contrôlée», explique-t-elle. «C'est pourquoi nous étudions également comment mieux contrôler le processus de remodelage.»

Et, enfin, il y a aussi la question de l'échelle: «Nous ne savons pas encore à quelle taille nous pourrons fabriquer les éléments individuels. Si nous parvenons à réduire la taille de ces éléments à l'échelle du millimètre, je pourrais imaginer qu'ils pourraient être utiles pour des applications médicales», déclare la doctorante. «Mais on n'y est pas encore».