Des ingénieurs créent un métamatériau ajustable et changeant de forme inspiré des jouets vintage

Les marionnettes à pousser classiques en forme d’animaux et de personnages populaires peuvent se déplacer ou se replier en appuyant sur un bouton situé au bas de la base du jouet. Aujourd’hui, une équipe d’ingénieurs de l’UCLA a créé une nouvelle classe de matériaux dynamiques réglables qui imite le fonctionnement interne des marionnettes à pousser, avec des applications pour la robotique souple, les architectures reconfigurables et l’ingénierie spatiale.

À l’intérieur d’une marionnette à pousser, des cordons de connexion permettent au jouet de rester immobile lorsqu’il est tendu. Mais en desserrant ces cordons, les « membres » du jouet deviennent mous. En utilisant le même principe basé sur la tension des cordons qui contrôle une marionnette, les chercheurs ont développé un nouveau type de métamatériau, un matériau conçu pour posséder des propriétés aux capacités avancées prometteuses.

Publié dans Horizons des matériauxL’étude démontre le nouveau métamatériau léger, qui est équipé de cordons motorisés ou auto-actionnés qui sont enfilés dans des billes à pointe conique imbriquées. Lorsqu’ils sont activés, les cordons sont tendus, ce qui provoque le blocage de la chaîne de particules de billes imbriquées et leur redressement en une ligne, ce qui rend le matériau rigide tout en conservant sa structure globale.

L’étude a également dévoilé les qualités polyvalentes du matériau qui pourraient conduire à son éventuelle incorporation dans la robotique souple ou d’autres structures reconfigurables :

• Le niveau de tension des cordes peut « ajuster » la rigidité de la structure résultante : un état entièrement tendu offre le niveau le plus solide et le plus rigide, mais des changements progressifs dans la tension des cordes permettent à la structure de fléchir tout en offrant une certaine résistance. La clé réside dans la géométrie précise des cônes d’emboîtement et dans la friction entre eux.
• Les structures qui utilisent ce design peuvent s’effondrer et se raidir à plusieurs reprises, ce qui les rend utiles pour des conceptions durables qui nécessitent des mouvements répétés. Le matériau offre également un transport et un stockage plus faciles lorsqu’il est dans son état non déployé et souple.
• Après déploiement, le matériau présente une adaptabilité prononcée, devenant plus de 35 fois plus rigide et modifiant sa capacité d’amortissement de 50 %.
• Le métamatériau pourrait être conçu pour s’auto-actionner, grâce à des tendons artificiels qui déclenchent la forme sans contrôle humain

« Notre métamatériau permet de nouvelles capacités, montrant un grand potentiel pour son intégration dans la robotique, les structures reconfigurables et l’ingénierie spatiale », a déclaré Wenzhong Yan, auteur correspondant et chercheur postdoctoral à l’UCLA Samueli School of Engineering. « Construit avec ce matériau, un robot souple auto-déployable, par exemple, pourrait calibrer la rigidité de ses membres pour s’adapter à différents terrains pour un mouvement optimal tout en conservant sa structure corporelle. Le métamatériau robuste pourrait également aider un robot à soulever, pousser ou tirer des objets. »

« Le concept général des métamatériaux à cordon contractant ouvre des possibilités fascinantes sur la manière d’intégrer l’intelligence mécanique dans les robots et autres appareils », a déclaré Yan.

Les auteurs principaux de l’article sont Ankur Mehta, professeur associé de génie électrique et informatique à l’UCLA Samueli et directeur du Laboratoire pour les machines embarquées et les robots omniprésents, dont Yan est membre, et Jonathan Hopkins, professeur de génie mécanique et aérospatial qui dirige le groupe de recherche flexible de l’UCLA.

Selon les chercheurs, le matériau pourrait également servir à la fabrication d’abris auto-assemblables avec des coques encapsulant un échafaudage démontable. Il pourrait également servir d’amortisseur compact avec des capacités d’amortissement programmables pour les véhicules circulant dans des environnements difficiles.

« À l’avenir, il existe un vaste espace à explorer dans la personnalisation et la personnalisation des capacités en modifiant la taille et la forme des billes, ainsi que la manière dont elles sont connectées », a déclaré Mehta, qui occupe également un poste de professeur à l’UCLA en génie mécanique et aérospatial.

Alors que des recherches antérieures ont exploré les cordons de contraction, cet article s’est penché sur les propriétés mécaniques d’un tel système, y compris les formes idéales pour l’alignement des billes, l’auto-assemblage et la capacité d’être réglé pour maintenir leur structure globale.

Les autres auteurs de l’article sont les étudiants diplômés en génie mécanique de l’UCLA, Talmage Jones et Ryan Lee, tous deux membres du laboratoire de Hopkins, et Christopher Jawetz, un étudiant diplômé du Georgia Institute of Technology qui a participé à la recherche en tant que membre du laboratoire de Hopkins alors qu’il était étudiant de premier cycle en génie aérospatial à l’UCLA.