Des matériaux qui changent de forme avec des possibilités infinies


Des matériaux qui changent de forme avec des possibilités infinies

chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un matériau à changement de forme peut prendre et conserver n’importe quelle forme, ouvrant la à un nouveau type de matériau multifonctionnel qui pourrait être utilisé dans une gamme d’applications , de la robotique et de la biotechnologie à l’architecture. Crédit photo : Harvard SEAS

Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un matériau à changement de forme qui peut prendre et conserver n’importe quelle forme, ouvrant la voie à un nouveau type de matériau multifonctionnel qui pourrait être utilisé dans une gamme d’applications , de la robotique et de la biotechnologie à l’architecture.

La recherche sera dans le. publié Actes de l’Académie nationale des sciences.

« Les matériaux et les structures à changement de forme d’aujourd’hui ne peuvent basculer qu’entre quelques configurations stables, mais nous avons montré comment fabriquer des matériaux structuraux avec n’importe quelle gamme de capacités de morphing de forme », a déclaré L Mahadevan, professeur de mathématiques appliquées à Lola England de Valpine, biologie de l’organisme et de l’évolution et pour la physique et auteur principal de l’article. « Ces structures permettent un contrôle indépendant de la géométrie et de la mécanique et jettent les bases du développement de formes fonctionnelles avec un nouveau type de unitaire morphable. »

L’un des plus grands défis de la conception de matériaux à changement de forme consiste à équilibrer les exigences apparemment contradictoires en matière d’adaptabilité et de rigidité. L’adaptabilité permet la conversion vers de nouvelles formes, mais si elle est trop conforme, les formes ne peuvent pas être maintenues de manière stable. La rigidité aide à maintenir le matériau en place, mais s’il est trop rigide, il ne peut pas prendre de nouvelles formes.

L’équipe a commencé avec une cellule unitaire de stabilité neutre avec deux éléments rigides, une jambe de force et un levier, et deux ressorts élastiques extensibles. Quiconque a déjà vu le début d’un film Pixar a vu un matériau neutre et stable. La tête de lampe Pixar est stable dans n’importe quelle position car la gravité est toujours contrecarrée par des ressorts qui se dilatent et se compriment de manière coordonnée, quelle que soit la configuration de la lampe. En général, les systèmes neutres stables, combinaison d’éléments rigides et élastiques, équilibrent l’énergie des cellules, rendant chaque neutre stable, ce qui signifie qu’elles peuvent alterner entre un nombre infini de positions ou d’orientations et être stables dans chacune d’elles.






« Avec 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 Gaurav Chaudhary, stagiaire postdoctoral à SEAS et co-premier auteur du travail. « La géométrie de la cellule unitaire peut être modifiée en modifiant à la fois la taille globale et la longueur de chaque jambe de force mobile, tandis que sa réponse élastique peut être modifiée en faisant varier soit la rigidité des ressorts dans la structure, soit la longueur des jambes de force et des connexions. . »

Les chercheurs ont qualifié l’assemblage de « matériaux totimorphes » en raison de sa capacité à se transformer en n’importe quelle forme stable. Les chercheurs ont connecté des cellules unitaires individuelles avec des articulations naturellement stables et construit des structures 2D et 3D à partir de cellules totimorphes individuelles.

Les chercheurs ont utilisé à la fois la modélisation mathématique et des démonstrations du monde réel pour montrer la capacité du matériau à changer de forme. L’équipe a démontré qu’une seule feuille de cellules totimorphes peut se courber vers le haut, se tordre en une hélice, se transformer en deux visages différents et même porter du poids.

« Nous montrons que nous pouvons assembler ces éléments dans des structures qui peuvent prendre n’importe quelle forme avec des réactions mécaniques hétérogènes », a déclaré S. Ganga Prasath, stagiaire postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l’ouvrage. « Parce 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 mis à l’échelle à l’échelle architecturale.






« Dans l’ensemble, ces totimorphes ouvrent la voie à une nouvelle classe de matériaux dont la réponse à la déformation peut être contrôlée à plusieurs échelles », a déclaré Mahadevan.

La recherche a été co-écrite par Edward Soucy.


Le cadre mathématique transforme n’importe quelle feuille de matériau avec des coupes en kirigami en n’importe quelle forme


Plus d’information:
Gaurav Chaudhary et al., Arrangements totimorphes d’unités stables neutres, Actes de l’Académie nationale des sciences (2021). DOI : 10.1073/pnas.2107003118

Fourni par la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Citation: Matériaux changeants de forme aux (2021, 22 octobre), consulté le 22 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-shape-shifting-materials-infinite-possibilities.html

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