Le «métabot» magnétique peut se développer, prendre de nouvelles formes et se déplacer comme un robot, mais sans moteur ou engrenages internes

Dans une expérience qui rappelle la franchise de film “Transformers”, les ingénieurs de l’Université de Princeton ont créé un type de matériel qui peut se développer, prendre de nouvelles formes, déplacer et suivre des commandes électromagnétiques comme un robot à distance contrôlé, même s’il manque de moteurs ou de vitesse internes.

“Vous pouvez vous transformer entre un matériau et un robot, et il est contrôlable avec un champ magnétique externe”, a déclaré le chercheur Glaucio Paulino, professeur d’ingénierie Margareta Engman Augustine à Princeton.

Dans un article publié dans Nature, Les chercheurs décrivent comment ils s’inspiraient de l’art pliant de l’origami pour créer une structure qui brouille les lignes entre la robotique et les matériaux. L’invention est un métamatériau, qui est un matériau conçu pour présenter des propriétés nouvelles et inhabituelles qui dépendent de la structure physique du matériau plutôt que de sa composition chimique.

Dans ce cas, les chercheurs ont construit leurs métamatériaux en utilisant une combinaison de plastiques simples et de composites magnétiques sur mesure. À l’aide d’un champ magnétique, les chercheurs ont changé la structure du métamatériau, ce qui la fait se développer, se déplacer et se déformer dans différentes directions, toutes à distance, sans toucher le métamatériau.

L’équipe a qualifié leur création de “métabot” – un métamatériau qui peut changer de forme et se déplacer.

“Les champs électromagnétiques transportent la puissance et le signal en même temps. Chaque comportement est très simple, mais lorsque vous les assemblez, le comportement peut être très complexe”, a déclaré Minjie Chen, auteur de l’article et professeur agrégé de génie électrique et informatique au Andlinger Center for Energy et l’environnement de Princeton. “Cette recherche a repoussé les limites de l’électronique de puissance en démontrant que le couple peut être passé à distance, instantanément et précisément sur une distance pour déclencher des mouvements robotiques complexes.”

Le métabot est une conglomération modulaire de nombreuses cellules unitaires reconfigurables qui reflètent des images les unes des autres. Cette mise en miroir, appelée chiralité, permet un comportement complexe. Tuo Zhao, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Paulino, a déclaré que le métabot peut faire de grandes contorsions – enracinées, contractées et rétrécissant – en réponse à une simple poussée.

Xuanhe Zhao, un expert en matériaux et en robotique qui n’était pas impliquée dans la recherche, a déclaré que “le travail ouvre une nouvelle avenue passionnante dans la conception et les applications en origami”.

“Le travail actuel a atteint des métamatériaux mécaniques extrêmement polyvalents en contrôlant l’assemblage et l’état chiral des modules”, a déclaré Zhao, professeur UNCAS et Helen Whitaker au MIT. “La polyvalence et la fonctionnalité potentielle des métamatériaux modulaires et chiraux en origami sont vraiment impressionnantes.”

Davide Bigoni, professeur de mécanique solide et structurelle à l’Universita ‘Di Trento en Italie, a appelé les travaux révolutionnaires et a déclaré qu’il pourrait “conduire un décalage de paradigme à travers plusieurs champs, notamment la robotique douce, l’ingénierie aérospatiale, l’absorption d’énergie et la thermorégulation spontanée”.

Explorant les applications robotiques de la technologie, Tuo Zhao, un auteur de l’article, a utilisé une machine à lithographie laser au Princeton Materials Institute pour créer un métabot prototype qui était de 100 microns de hauteur (un peu plus épais que les cheveux humains). Les chercheurs ont expliqué que des robots similaires pourraient un jour délivrer des médicaments à des parties spécifiques du corps ou aider les chirurgiens à réparer les os ou les tissus endommagés.

Les chercheurs ont également utilisé le métamatériau pour créer un thermorégulateur qui fonctionne en se déplaçant entre une surface noire absorbant la lumière et une surface noire réfléchissante. Dans une expérience, ils ont exposé le métamatériau au soleil brillant et ont pu ajuster la température de surface de 27 degrés Celsius (80 degrés Fahrenheit) à 70 C (158 F) et vice-versa.

Une autre utilisation possible réside dans les applications pour les antennes, les objectifs et les dispositifs qui traitent des longueurs d’onde de lumière.

La géométrie détient la clé du nouveau matériau. Les chercheurs ont construit des tubes en plastique avec des entretoises de support disposées pour que les tubes se tournent lorsqu’ils sont comprimés et compressent lorsqu’ils sont tordues. En origami, ces tubes sont appelés motifs de kresling. Les chercheurs ont créé les éléments constitutifs de leur conception en connectant deux tubes Kresling à image miroir à la base pour faire un long cylindre. En conséquence, une extrémité du cylindre se replie lorsqu’elle est tordu dans une direction et l’autre extrémité se plie lorsqu’il est tordu dans la direction opposée.

Ce modèle simple de tubes répétitifs permet de déplacer chaque section du tube indépendamment en utilisant des champs magnétiques avec précision. Le champ magnétique fait que les tubes Kresling se tordent, s’effondrent ou s’ouvrent, créant des comportements complexes.

Paulino a expliqué qu’une conséquence de la chiralité – les sections d’image miroir – est que le matériau peut défier les règles typiques des actions et des réactions dans les objets physiques.

“Habituellement, si je tourne un faisceau en caoutchouc dans le sens des aiguilles d’une montre, puis dans le sens antihoraire, il revient à son point de départ”, a déclaré Paulino. Le groupe a créé un métabot simple qui s’effondre lorsqu’il est tordu dans le sens horaire, puis rouvre lorsqu’il est tordu dans le sens antihoraire – un comportement normal. Cependant, s’il est tordu dans la séquence opposée – le compensation dans le sens des aiguilles d’une montre – le même appareil s’effondre, puis s’effondre davantage.

Paulino a expliqué que ce comportement asymétrique simule un phénomène appelé hystérésis, dans lequel la réponse d’un système à un stimulus dépend de l’histoire des changements au sein du système. Ces systèmes, qui se trouvent dans l’ingénierie, la physique et l’économie, sont difficiles à modéliser mathématiquement. Paulino a déclaré que le métamatériau offre un moyen de simuler directement ces systèmes.

Une utilisation plus lointaine pour le nouveau matériau serait de concevoir des structures physiques qui imitent les performances des portes logiques faites avec des transistors dans un ordinateur.

“Cela nous donne une méthode physique pour simuler un comportement complexe, comme les états non commutatifs”, a déclaré Paulino.

L’œuvre a été un effort conjoint à Princeton. Le chercheur postdoctoral Xiangxin Dang, du laboratoire de génie civil de Paulino, a préparé des simulations et des modèles pour analyser la déformation des métamatériaux. Konstantinos Manos, un étudiant diplômé co-avisé par le laboratoire de génie électrique de Chen et le laboratoire de Paulino, a travaillé pour construire le matériel de disque magnétique, et le chercheur postdoctoral Shixi Zang de Paulino’s Lab a effectué des expériences et a travaillé avec le laboratoire optique et thermique du professeur Jyotirmoy Mandal pour la conception et la construction du thermorégulateur.