Baromorphes: des matériaux gonflés souples bio-inspirés
Publié par Redbran le 27/11/2018 à 12:00
Source: CNRS INSIS
Comment courber une feuille de papier pour lui faire recouvrir une calotte sphérique ? C'est impossible sans froisser la feuille. L'équipe MecaWet du laboratoire Physique et mécanique des milieux hétérogènes s'est inspirée de ce problème pour mettre au point (Graphie) un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) qui mime la croissance biologique de certaines plantes afin d'adopter une forme souhaitée. Les chercheurs ont appelé ce matériau "baromorphe", car il contient des canaux d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...) qui peuvent être gonflés, provoquant une dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à pression constante ou maintien du volume et...) inhomogène qui donnera la forme finale de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...). Leurs travaux viennent d'être publiés dans la revue Nature Materials, et offrent de multiples applications en robotique souple mais aussi pour le sport ou la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et...).


© PMMH
Actionnement d'un baromorphe de géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types...) très simple: la variation de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme...) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) le passage continu d'une chips à un plat à tajine, en passant par le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) plan.

Nous pouvons aisément courber une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds. À l'aisselle de la feuille se trouve...) de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de...) en un tube cylindrique ou en un cornet de frites conique (Les coniques constituent une famille très utilisée de courbes planes algébriques, qui peuvent être définies de plusieurs manières différentes, toutes équivalentes...). Il est en revanche impossible de courber cette feuille simultanément dans deux directions sans la froisser. Il n'est ainsi pas question de réaliser une calotte sphérique lisse. Pourtant la nature regorge de structures qui, bien qu'initialement planes, adoptent des formes tridimensionnelles complexes lors de leur croissance. C'est par exemple le cas pour une feuille de laitue (Les laitues (genre Lactuca) sont des plantes annuelles de la famille des Astéracées (Composées) dont certaines espèces sont cultivées pour leurs feuilles tendres consommées comme salade verte.). Le secret de ces circonvolutions: certaines régions de la feuille grandissent plus vite que les autres. Les baromorphes inventés par l'équipe du PMMH (CNRS/ESPCI Paris/Université PSL/Sorbonne Université/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la Seine en...) Diderot) miment cette croissance biologique: la plaque d'élastomère (un matériau caoutchoutique souple), qui contient un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) de canaux d'air, "croît" de manière inhomogène par l'intermédiaire du gonflement local des canaux, soumis à une pression. Ces canaux se dilatent beaucoup plus selon leur section que dans leur longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou...). Une telle croissance étant incompatible avec la géométrie plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le dégrossissage et le creusage de formes...), l'objet dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) adopte alors une forme tridimensionnelle. Cela permet donc de créer des objets souples, capables de changer de forme de manière réversible et dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :). Dans cet exemple "d'intelligence matérielle", l'information est codée dans le réseau de canaux.

Ces résultats ouvrent de grandes possibilités d'applications dans le domaine de la robotique souple qui est en plein essor actuellement: robots-sauveteurs capables de se faufiler dans des environnements étroits ; robots chirurgicaux permettant manipulations et opérations à partir d'une incision minimale ; dispositifs de maintien corporel souples et réglables pour la rééducation et la préparation physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) ; structures qui peuvent se déployer dans l'espace ; etc.

En parallèle de la publication, une demande de brevet a été déposée associant les inventeurs du matériau, l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) PSL, l'ESPCI Paris et le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).


Références publication:
Bio-inspired pneumatic shape-morphing elastomers,
E. Siéfert, E. Reyssat, J. Bico & B Roman
Nature Materials (novembre 2018)
https://doi.org/10.1038/s41563-018-0219-x
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