Des chercheurs développent une méthodologie pour un contrôle rationalisé de la déformation des matériaux


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  • Pouvez-vous froisser deux feuilles de papier exactement de la même manière ? Probablement pas – la flexibilité même qui permet aux structures flexibles du papier aux biopolymères et aux membranes de subir de nombreux types de grandes déformations les rend notoirement difficiles à contrôler. Des chercheurs du Georgia Institute of Technology, de l’Universiteit van Amsterdam et de l’Universiteit Leiden ont apporté un éclairage nouveau sur ce défi fondamental, démontrant que de nouvelles théories physiques fournissent des prédictions précises des déformations de certaines structures, comme récemment publié dans Communication Nature.

    Dans l’article, Michael Czajkowski et D. Zeb Rocklin de Georgia Tech, Corentin Coulais de l’Universiteit van Amsterdam et Martin van Hecke de l’AMOLF et de l’Universiteit Leiden abordent un matériau élastique exotique très étudié, découvrent une description géométrique intuitive du prononcé — ou non linéaire — déformations douces, et montrez comment activer l’une de ces déformations à la demande avec un minimum d’entrées. Cette nouvelle théorie révèle qu’une structure mécanique flexible est régie par certaines des mêmes mathématiques que les ondes électromagnétiques, les transitions de phase et même les trous noirs.

    « Tant d’autres systèmes ont du mal à être forts et solides à certains égards, mais flexibles et conformes à d’autres, du corps humain et des micro-organismes aux vêtements et aux robots industriels », a déclaré Rocklin. « Ces structures résolvent ce problème d’une manière incroyablement élégante qui permet à un seul mécanisme de pliage de générer une large famille de déformations. Nous avons montré qu’un seul mode de pliage peut transformer une structure en une famille infinie de formes. »

    Une brève histoire des métamatériaux

    Les métamatériaux reposent sur l’utilisation de charnières, de plis, de coupes et d’ingrédients « flexibles » pour afficher la variété de la physique contre-intuitive qui a été régulièrement révélée au cours de la dernière décennie de recherches intenses. Beaucoup de ces nouveaux comportements ont émergé du développement des auxétiques, des matériaux qui ont tendance à rétrécir dans toutes les directions lorsqu’ils sont comprimés dans n’importe quelle direction plutôt que de se gonfler vers l’extérieur. Bien que la structure choisie par les chercheurs, « Rotating Squares », soit déjà l’un des métamatériaux les plus étudiés, ils ont découvert une physique entièrement nouvelle et puissante qui se cache dans ses déformations.

    « Les structures normalement complexes du monde réel défient la physique analytique, ce qui l’a rendue encore plus excitante lorsque Michael a découvert que ses prédictions conformes pouvaient représenter 99,9 % de la variance de la structure de Corentin », a déclaré Rocklin. « Cette nouvelle approche pourrait nous permettre de prévoir et de contrôler des structures résistantes et flexibles, de la taille des gratte-ciel à la micro-échelle. »

    Constatations conformes

    Les résultats de cet article reposent sur la nouvelle observation selon laquelle ces métamatériaux auxétiques maximaux se déforment de manière conforme, ce que les chercheurs ont confirmé avec un haut degré de précision. Cela signifie que tout angle dessiné sur le matériau avant et après la déformation ressemblera toujours au même angle. Cette observation apparemment banale active de puissantes structures mathématiques.

    Cet aperçu conforme permet une variété d’avancées analytiques stylo et papier : une fonctionnelle d’énergie non linéaire, des méthodes d’ajustement de déformation, de nouvelles méthodes de prédiction, etc. Cela aboutit à une recette pour choisir l’une de ces déformations conformes de manière exacte, réversible et mathématique manière simple via la manipulation de la frontière. En choisissant de combien la frontière est étirée, la forme globale peut être choisie parmi des possibilités infinies.

    Un tel contrôle de déformation est encore limité par le caractère essentiel des déformations conformes. Cependant, les principes sous-jacents sont assez généraux et les chercheurs travaillent à appliquer ces nouveaux principes à des structures plus variées et plus complexes.

    « Nos résultats sont très prometteurs pour la robotique microscopique douce qui est développée à des fins chirurgicales non invasives », a déclaré Czajkowski. « Dans cet effort, l’évolutivité et le contrôle externe précis sont deux des principaux objectifs, et notre style de contrôle de la déformation semble parfaitement adapté à la tâche. »

    Le saut vers des applications plus provocatrices n’est probablement pas loin, car le domaine des métamatériaux s’est progressivement peuplé de visages manipulables, d’une variété de nouvelles pinces et mains, et même d’un ver élastique qui peut enfiler une série d’aiguilles. Ces avancées deviendront essentielles dans l’effort de développement de robots microscopiques mous, qui doivent être manipulés de l’extérieur pour se déplacer dans un corps et effectuer des chirurgies non invasives.

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