Un métamatériau à la fonctionnalité programmable après sa fabrication

Depuis une vingtaine d’années, les scientifiques créent des métamatériaux qui n’existent pas dans la nature et dont le comportement mécanique est défini principalement par l’architecture de leur structure et non par leur composition chimique. Ce récent domaine de recherche leur permet d’obtenir des matériaux avec des compositions et des propriétés spécifiques. Encore peu utilisés dans la vie quotidienne, ils devraient faire leur apparition dans un avenir proche. Tian Chen, post doctorant dans les laboratoires des structures flexibles de Pedro Reis et d’informatique géométrique de Mark Pauly de l’EPFL, souhaitait aller plus loin que la réalisation de métamatériaux. Il a voulu changer leurs propriétés mécaniques en les programmant, une fois construites. Et il y est arrivé. Son étude est publiée dans la revue Nature.

Un matériau, plusieurs fonctions mécaniques

« Je me suis demandé comment modifier la géométrie de la configuration interne d’un matériau après qu’il soit conçu. Le but est qu’il puisse posséder plusieurs fonctions mécaniques, tel que la rigidité et la résistance, sans avoir besoin de le remplacer à chaque opération. Par exemple, après s’être blessé, on porte une attelle rigide, qui limite passablement le mouvement. Mais au fil de la convalescence, on peut en utiliser une plus souple. Aujourd’hui, on doit en employer plusieurs. À l’avenir, peut-être qu’une seule suffira », explique Tian Chen.

Silicone et poudre magnétique

Le scientifique a donc imaginé un métamatériau, à la structure complexe, constitué de silicone et de poudre magnétique, dont la rigidité varie. Dans chacune de ses cellules se trouve une charge qui fonctionne comme un interrupteur. « En plaçant un champ magnétique autour du métamatériau, on peut activer ou désactiver chaque cellule. Ce phénomène modifie son état interne, et par conséquent ses propriétés mécaniques », explique Tian Chen. Pour le scientifique, il existe une analogie entre son matériel programmable et les appareils numériques tels que les disques durs. Sur ces derniers, chaque bit peut être écrit ou lu en temps réel. Chacune des cellules du métamatériau programmable, les m-bits, sont analogues aux bits d'un disque dur, elles peuvent être mis dans un état de « ON », ce qui est plus rigide, ou dans un état de « OFF », ce qui est plus conforme. Des combinaisons différentes de « ON » et « OFF » peuvent ensuite être programmées pour obtenir une réponse mécanique souhaitée.

Pour y arriver, il a fallu faire appel à diverses compétences issues de l’informatique et de l’ingénierie mécanique. « C’est ce qui rend ce projet si spécial », se réjouit Mark Pauly. Tian Chen a aussi mené un travail de mesure afin d’évaluer le comportement de ce métamatériau dans ses différents états. Finalement, il a montré qu’il était possible de le programmer pour obtenir différentes rigidités, déformations et valeurs de force.

Horizons multiples

En général, un métamatériau programmable est une machine, comme un robot, qui utilise des mécanismes électroniques complexes et énergivores. Le but de cette recherche était de trouver un juste milieu entre un matériau statique et une machine. Pour Pedro Reis, cette technologie offre différents horizons de recherche. « Nous pourrions réaliser cette technique en trois dimensions puisque nous avons procédé uniquement en deux dimensions, ainsi que réduire l’échelle pour atteindre un métamatériau plus petit », s’enthousiasme le professeur. Ce résultat fondamental présente le premier métamatériau mécanique réellement programmable et offre de nouvelles perspectives passionnantes pour la recherche scientifique et les innovations industrielles.