Luxo, Jr., la lampe à bras équilibré Luxo animée de marque de Pixar, est basée sur un design classique connu sous le nom de lampe anglepoise, inventé par le designer britannique George Carwardine en 1932. Près de quatre-vingt-dix ans plus tard, la lampe anglepoise a contribué à inspirer une nouvelle approche de la construction de matériaux multifonctionnels de changement de forme pour la robotique, la biotechnologie et les applications architecturales, selon un nouvel article publié dans les Actes de la National Academy of Sciences.

Pendant ce temps, des physiciens de l’Université Case Western Reserve et de l’Université Tufts sont tombés sur une autre approche prometteuse pour créer de nouveaux matériaux à changement de forme. Les chercheurs ont manipulé à distance la surface ordinairement plate d’un cristal liquide sans aucun type de stimulus externe (comme la pression ou la chaleur), modifiant son apparence physique simplement avec la présence à proximité d’une surface bosselée. Ce n’est que le début, mais les chercheurs suggèrent que leur approche pourrait un jour permettre la mise en place de matériaux pouvant changer de forme avec la facilité de Les X-Men‘s Mystique. Ils ont décrit leur travail dans un nouvel article publié dans la revue Physical Review Letters.

Le développement de nouveaux matériaux de changement de forme est un domaine de recherche très actif car il existe de nombreuses applications prometteuses, telles que la construction de muscles artificiels – des matériaux artificiels, des actionneurs ou des dispositifs similaires qui imitent les caractéristiques de contraction, d’expansion et de rotation (couple) du mouvement de musculaire naturelle. Par exemple, en 2019, une équipe de chercheurs japonais a ajouté un matériau organique cristallin à un polymère pour le rendre plus flexible, démontrant sa preuve de concept en utilisant son matériau pour faire faire des redressements assis à une poupée en papier d’aluminium. La plupart des muscles artificiels sont conçus pour répondre aux champs électriques (tels que les polymères électroactifs), aux changements de température (tels que les alliages à mémoire de forme et les lignes de pêche) et aux changements de pression atmosphérique via la pneumatique.

Plus tard la même année, les scientifiques du MIT ont créé une classe de « matériaux 4D » qui utilisent la même technique de fabrication que l’impression 3D, mais qui sont conçus pour se déformer avec le temps en réponse aux changements de l’environnement, comme l’humidité et la température. Ils sont aussi parfois connus sous le nom de systèmes actifs d’origami ou de morphing de forme.

Les structures du MIT peuvent se transformer en structures beaucoup plus compliquées qu’auparavant, y compris un visage humain. Ces types de matériaux qui changent de forme pourraient un jour être utilisés pour fabriquer des tentes qui peuvent se déplier et se gonfler d’elles-mêmes, simplement en changeant la température (ou d’autres conditions ambiantes). D’autres utilisations potentielles incluent les lentilles de télescope déformables, les stents, les échafaudages pour les tissus artificiels et la robotique souple.

T est pour Totimorphe

Ce qui est unique dans les dernières recherches de l’équipe de Harvard, c’est que leurs assemblages de blocs imbriqués, ou cellules, peuvent accepter et maintenir n’importe quel nombre de configurations ; la plupart des matériaux de métamorphose sont limités à une poignée. C’est pourquoi ils sont appelés matériaux de structure « totimorphes ».

« Les matériaux et les structures changeant 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 le co-auteur L Mahadevan de la John A. Paulson School of Harvard. Ingénierie et Sciences Appliquées (SEAS). « 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. »

L’astuce pour tout matériau qui change de forme est de trouver le point idéal où la rigidité et l’élasticité (ou la conformabilité) sont optimisées. Si un matériau a trop de conformabilité, il ne peut pas conserver les différentes formes qu’il adopte car la configuration ne sera pas stable. Si un matériau est trop rigide, il ne pourra pas du tout prendre de nouvelles configurations. C’est là qu’intervient la lampe anglepoise. La tête de lampe « est infiniment morphable en raison de son jeu de ressorts opposés en tension qui changent de longueur tandis que l’énergie totale reste constante », ont écrit les auteurs.

En d’autres termes, la tête de Luxo Jr. restera stable dans n’importe quelle position car ses ressorts s’étireront et se compriment comme ils en ont besoin pour contrer la force de gravité. Le terme technique est une « structure neutre stable » : une structure dans laquelle les éléments rigides et élastiques sont idéalement équilibrés, leur permettant de passer entre un nombre infini de positions ou d’orientations tout en restant stables dans chacune d’elles. Mahadevan et ses collègues ont essentiellement construit un assemblage en utilisant des charnières individuelles commutables comme blocs de construction pour obtenir le même équilibre entre rigidité et conformabilité.

« En ayant une cellule unitaire neutre stable, nous pouvons séparer la géométrie du matériau de sa réponse mécanique à la fois au niveau individuel et collectif », a déclaré le co-auteur Gaurav Chaudhary, chercheur postdoctoral à SEAS. « 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.

Comme preuve de concept, l’équipe a démontré qu’une seule feuille de leurs cellules totimorphes pouvait se courber, se tordre en une hélice, supporter un poids et même se transformer en formes de visage. « Nous montrons que nous pouvons assembler ces éléments en structures qui peuvent prendre n’importe quelle forme avec des réponses mécaniques hétérogènes », a déclaré le co-auteur S. Ganga Prasath, un autre boursier postdoctoral SEAS. « 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.