Déverrouiller une nouvelle classe de matériaux avec l’origami

L’origami – l’art japonais du papier pliant – pourrait être la prochaine frontière des matériaux innovants. Pratique au Japon depuis le début des années 1600, l’origami consiste à combiner des techniques de pliage simples pour créer des conceptions complexes. Désormais, les chercheurs en technologie de la Géorgie exploitent la technique comme le fondement des matériaux de nouvelle génération qui peuvent à la fois agir comme un solide et de déformer de façon prévisible, “se repliant” sous les bonnes forces. La recherche pourrait conduire à des innovations dans tout, des stents cardiaques aux ailes d’avion et aux chaussures de course.

Récemment publié dans Communications de la natureL’étude, «Formes fondamentales à grain grossier pour caractériser les isométries des métamatériaux d’origami à base de trapami», a été dirigée par le premier auteur James McInerney, qui est maintenant associé de recherche du CNRC au Laboratoire de recherche de l’Air Force.

McInerney, qui a terminé la recherche tandis qu’un étudiant postdoctoral à l’Université du Michigan, était auparavant doctorant chez Georgia Tech dans le co-auteur du groupe d’étude Zeb Rocklin. L’équipe comprend également des chercheurs de l’Université de Princeton, de l’Université du Michigan et de l’Université de Trento.

“L’origami a reçu beaucoup d’attention au cours de la dernière décennie en raison de sa capacité à déployer ou à transformer des structures”, explique McInerney. “Notre équipe s’est demandé comment différents types de plis pouvaient être utilisés pour contrôler comment un matériau se déforme lorsque différentes forces et pressions y sont appliqués” – comme un morceau de carton croisé se repliant plus prévisible que celui qui pourrait s’effondrer sans plis.

Les applications de ce type de contrôle sont vastes. “Il existe une variété de scénarios allant de la conception des bâtiments, des avions et des navires navals à l’emballage et à l’expédition de marchandises où il y a tendance à comparer l’amélioration des capacités porteurs de charge et à augmenter le poids total”, explique McInerney. “Notre objectif final est d’améliorer les conceptions porteuses en ajoutant des plis inspirés de l’origami – sans ajouter de poids.”

Le défi, ajoute Rocklin, est d’utiliser la physique pour trouver un moyen de modéliser de manière prévisible ce qui pose à utiliser et quand obtenir les meilleurs résultats.

Solides déformables

Rocklin, physicien théorique et professeur agrégé à la School of Physics de Georgia Tech, met l’accent sur la nature complexe de ces types de matériaux. “Si je tire à chaque extrémité d’une feuille de papier, c’est solide – cela ne se sépare pas”, explique-t-il. “Mais c’est aussi flexible – il peut s’effondrer et agiter selon la façon dont je le déplace. C’est un comportement très différent de ce que nous pourrions voir dans un solide conventionnel, et très utile.”

Mais bien que les solides flexibles soient uniquement utiles, ils sont également très difficiles à caractériser, dit-il. “Avec ces matériaux, il est souvent difficile de prédire ce qui va se passer – comment le matériau se déformera sous pression, car il peut se déformer de différentes manières. Les techniques de physique conventionnelles ne peuvent pas résoudre ce type de problème, c’est pourquoi nous proposons toujours de nouvelles façons de caractériser les structures au 21e siècle.”

Lorsque vous envisagez des matériaux inspirés de l’origami, les physiciens commencent par une feuille plate qui est soigneusement frappée pour créer une forme tridimensionnelle spécifique; Ces plis déterminent comment le matériau se comporte. Mais la méthode est limitée: seuls le pliage d’origami basé sur le parallélogramme, qui utilise des formes comme les carrés et les rectangles, avait précédemment été modélisée, permettant des types limités de déformation.

“Notre objectif était d’étendre cette recherche pour inclure des visages trapézoïdes”, explique McInerney. Les parallélogrammes ont deux ensembles de côtés parallèles, mais les trapézoïdes n’ont besoin que d’avoir un ensemble de côtés parallèles. L’introduction de ces formes plus variables rend ce type de pli plus difficile à modéliser, mais potentiellement plus polyvalent.

Respiration et cisaillement

“À partir de nos modèles et de nos tests physiques, nous avons constaté que les visages trapézoïdes ont une classe de réponses entièrement différente”, partage McInerney. En d’autres termes, l’utilisation des trapèzes conduit à de nouveaux comportements.

Les conceptions avaient la capacité de changer leur forme de deux manières distinctes: “respiration” en expansant et en se contractant uniformément, et en “cisaillement” en se déformant dans un mouvement de torsion. “Nous avons appris que nous pouvons utiliser des faces trapézoïdes dans l’origami pour contraindre le système de la flexion dans certaines directions, ce qui fournit des fonctionnalités différentes des visages de parallélogramme”, ajoute McInerney.

Étonnamment, l’équipe a également constaté qu’une partie du comportement en origami basé sur le parallélogramme était passée à leur origami trapézoïdal, faisant allusion à certaines caractéristiques qui pourraient être universelles à l’autre.

“Bien que nos recherches soient théoriques, ces idées pourraient nous donner plus d’opportunités sur la façon dont nous pourrions déployer ces structures et les utiliser”, partage Rocklin.

Future pliage

“Nous avons encore beaucoup de travail à faire”, dit McInerney, partageant qu’il y a deux voies de recherche distinctes à poursuivre. “Le premier consiste à passer des trapèzes à des visages quadrilatéraux plus généraux, et à essayer de développer un modèle efficace du comportement matériel – similaire à la façon dont cette étude est passée des parallélogrammes aux trapézoïdes.”

Ces nouveaux modèles pourraient aider à prédire comment les matériaux froissés pourraient se déformer dans différentes circonstances et aider les chercheurs à comparer ces résultats aux feuilles sans aucun plis. “Cela nous permettra essentiellement d’évaluer l’amélioration de nos conceptions”, explique-t-il.

“La deuxième avenue est de commencer à réfléchir profondément à la façon dont nos conceptions pourraient s’intégrer dans un réel système”, poursuit McInerney. “Cela nécessite de comprendre où nos modèles commencent à se décomposer, que ce soit en raison des conditions de chargement ou du processus de fabrication, ainsi que de l’établissement de protocoles de fabrication et de test efficaces.”

“C’est un problème très difficile, mais la biologie et la nature sont pleines de solides intelligents – y compris notre propre corps – qui se déforment de manière spécifique et utile en cas de besoin”, explique Rocklin. “C’est ce que nous essayons de reproduire avec l’origami.”