Des scientifiques programment des matériaux… en les faisant tourner

Il y a quelque chose de fascinant dans le bracelet à claquer, cette barre droite qui s’enroule automatiquement quand on la frappe. Savez-vous que ce « clic » repose sur le même principe que les structures bistables ? Elles peuvent basculer entre deux positions stables (l’une représentant 0 et l’autre 1) pour stocker des données directement dans leur forme physique sous forme de bits mécaniques (m-bits).

Séduits par ce potentiel prometteur pour contrôler efficacement des systèmes robotiques et mécaniques, les scientifiques développent depuis des années des matériaux à structures programmables (métamatériaux programmables). Mais jusqu’à présent, leur programmation effective représentait un défi majeur : les bits mécaniques doivent généralement être contrôlés individuellement, ce qui est extrêmement fastidieux et chronophage.

Une équipe du Laboratoire des structures flexibles (fleXLab) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL, de l’Institut de recherche néerlandais AMOLF et de l’université de Leyde a trouvé une manière de programmer ces métamatériaux de manière globale grâce à une solution étonnamment simple : la rotation. En ajustant la vitesse, la direction et l’accélération d’une plateforme en rotation, les chercheurs et chercheuses exploitent les forces générées dans un système tournant, telles que les forces centrifuges et d’Euler, pour faire basculer des segments élastiques d’un état à l’autre. Ils créent ainsi une nouvelle méthode simple pour « écrire » simultanément plusieurs bits mécaniques. Cette avancée a été publiée dans Science Advances.

Le stockage de la mémoire est un élément essentiel de l’informatique mécanique et des applications de robotique souple, qui pourraient permettre de développer des systèmes intégrant des éléments d’intelligence physique directement dans les matériaux.

« La beauté de notre approche, que nous appelons “pilotage dynamique”, est qu’elle nous permet de fixer de manière collective la mémoire d’un système de métamatériaux mécaniques grâce à la rotation », explique Pedro Reis, responsable du fleXLab. « Le stockage de la mémoire est un élément essentiel de l’informatique mécanique et des applications de robotique souple, qui pourraient permettre de développer des systèmes intégrant des éléments d’intelligence physique directement dans les matériaux. »

Écrire avec une seule rotation

Pour démontrer l’efficacité de ce pilotage dynamique, les scientifiques ont « écrit » les 26 lettres de l’alphabet en majuscules à l’aide de cinq segments en silicone de la taille d’un doigt montés sur leur plateforme rotative. Ils ont d’abord attribué à chaque lettre un nombre à cinq chiffres, composé de 0 et de 1 en utilisant le standard d’encodage ASCII. Ensuite, ils ont ajusté la fixation de chaque segment à la plateforme afin qu’elle bascule vers l’une de ses deux positions stables (vers la gauche ou la droite) à un seuil différent de paramètres de rotation.

Parallèlement, la plateforme était reliée à un moteur à couple élevé permettant de contrôler sa rotation. Le Centre d’imagerie de l’EPFL a contribué au développement d’une approche de vision par ordinateur basée sur des splines, capable de suivre l’évolution de l’état de chaque segment au cours de la rotation. Selon qu’ils atteignaient ou non leur « seuil de basculement », les segments restaient dans leur position initiale ou basculaient. En faisant correspondre la position finale des cinq segments avec leur motif binaire associé, les scientifiques pouvaient lire les lettres encodées.

« Ce n’est que récemment que les technologies de motorisation, comme les moteurs semi-conducteurs à fort couple que nous avons utilisés, sont devenues assez puissantes et précises pour permettre d’“écrire” dynamiquement des métamatériaux mécaniques de cette manière », souligne Eduardo Gutierrez-Prieto, co-premier auteur de l’étude.

Vers des systèmes intelligents et téléopérés

Les ingénieures et ingénieurs développent désormais leur méthode de pilotage dynamique pour des applications concrètes. Pour Pedro Reis, la plateforme rotative n’est qu’un exemple de la manière dont les forces induites par la rotation peuvent contrôler des métamatériaux mécaniques. En biomédecine, la force centrifuge pourrait être utilisée pour ouvrir ou fermer de minuscules valves bistables dans des canaux microfluidiques centrifuges, guidant les liquides dans des dispositifs de diagnostic de manière contrôlée et à haut débit. De même, des robots souples sans électronique pourraient être équipés d’articulations bistables réagissant à des variations de pression d’air ou d’eau transmises par des circuits pneumatiques ou hydrauliques, permettant des mouvements complexes sans circuits embarqués.

« Notre paradigme de contrôle dynamique offre une voie polyvalente vers des dispositifs intelligents et téléopérés capables de fonctionner efficacement dans un large éventail d’applications physiques, allant de la microfluidique et des implants aux infrastructures intelligentes, ainsi qu’à la robotique sous-marine ou médicale », conclut Martin van Hecke, chercheur à l’AMOLF.