Les scientifiques du MIT ont mis au point un matériau par impression 4D

Qui peut changer de forme en fonction de la température

Les scientifiques du MIT ont mis au point un matériau par impression 4D
qui peut changer de forme en fonction de la température

Les chercheurs du MIT ont inventé un matériau à changement de forme qui modifie le contour du visage humain en raison du changement de température. Leur invention utilise une nouvelle méthode qui est basée sur l'effet de double courbure décrit par le physicien et mathématicien allemand Carl Friedrich Gauss il y a près de 200 ans. En utilisant cette méthode, les scientifiques du MIT ont réussi à créer des structures plates qui peuvent se transformer en des structures beaucoup plus complexes que ce qui avait été réalisé auparavant, y compris un visage humain.

L’avènement des imprimantes 3D a apporté de multiples applications dans plusieurs domaines de la vie et l'impression 3D semble de plus en plus accessible avec l'apparition sur le marché d'imprimantes 3D à prix raisonnables. La science poussant toujours plus loin, la prochaine étape importante dans l'impression 3D pourrait être les matériaux dits “4D” qui utilisent la même technique de fabrication, mais qui sont conçus pour se déformer dans le temps en réponse aux changements de l'environnement, comme l'humidité et la température.

C’est l’exercice auquel se sont donnés en 2019 des chercheurs du MIT. Ils ont publié leurs résultats de recherche l'automne dernier dans la revue "Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)". En effet, les chercheurs ont résolu le problème lié au changement de forme des structures minces en utilisant l'impression en 4 dimensions de matériaux multiples dans des conceptions de treillis hétérogènes. Selon le rapport d’étude, par le passé, des chercheurs avaient déjà trouvé des méthodes pour y arriver, mais avaient rencontré quelques difficultés.


Wim van Rees, ingénieur en mécanique au MIT et coauteur de l'article du PNAS, a conçu une méthode théorique pour transformer une feuille mince et plate en formes plus complexes, comme des sphères, des dômes ou un visage humain. « Mon objectif était de commencer par une forme 3D complexe que nous voulions réaliser, comme un visage humain, et de demander ensuite comment programmer un matériau pour qu'il y arrive. C'est un problème de conception inverse », a-t-il dit. La méthode de l’impression en 4D semble plus simple.

Selon le rapport, le système de matériaux fournit une plateforme qui permet d'obtenir une croissance dans le plan et un contrôle de la courbure hors plan pour les nervures bicouches à 4 matériaux. La conception du treillis convertit cela en grands gradients de croissance, qui conduisent à des changements de forme complexes et prévisibles en 3 dimensions (3D). Ils ont démontré cette approche avec une antenne hémisphérique qui déplace la fréquence de résonance lorsqu'elle change de forme et un réseau plat qui se transforme en un visage humain 3D.

Plus précisément, van Rees et ses collègues ont fabriqué le treillis à partir d'un matériau caoutchouteux qui se dilate lorsque la température augmente. Les espaces dans le treillis permettent au matériau de s'adapter plus facilement aux changements particulièrement importants de sa surface. L'équipe du MIT a utilisé une image de Gauss pour créer une carte virtuelle de la flexion de la surface plane pour la reconfigurer en une face. Ils ont ensuite conçu un algorithme pour traduire cela en un modèle de nervures correct dans le treillis.

Ils ont conçu les côtés pour qu'elles croissent à des rythmes différents sur la feuille de mailles, chacune pouvant se plier suffisamment pour prendre la forme d'un nez ou d'une orbite. Le treillis imprimé a été séché dans un four chaud, puis refroidi à température ambiante dans un bain d'eau salée. Le résultat obtenu est un visage humain. L'équipe a également fabriqué un treillis contenant un métal liquide conducteur qui s'est transformé en une antenne active, avec une fréquence de résonance qui change au fur et à mesure de sa déformation.

« J'aimerais que cela soit incorporé, par exemple, à une méduse robotisée qui change de forme en nageant », a déclaré Wim van Rees. « Si vous pouviez utiliser ceci 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 espace de conception entièrement nouveau dans la robotique douce ». Les scientifiques ont cité dans l’étude plusieurs domaines dans lesquels ce matériau pourrait servir.

Ce genre de matériaux qui changent de forme pourrait être utilisé à l’avenir pour fabriquer des tentes qui peuvent se gonfler ou se déplier d'elles-mêmes, simplement en changeant la température (ou sous l’effet d'autres conditions ambiantes). Parmi les autres utilisations possibles, ils ont mentionné les lentilles déformables des télescopes, les endoprothèses, les échafaudages pour les tissus artificiels et la robotique douce.

Source : Rapport de l’étude

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