Résumé :
Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley, de l'Université Harvard et de l'Université polytechnique d'Istanbul en Turquie ont développé une méthode de conception de métamatériaux qui prend en compte la capacité portante et la performance des fluides, en s'appuyant sur la structure du squelette de l'éponge de verre des profondeurs « Euplectella aspergillum ». La recherche, publiée dans Nature Communications, ne se concentre pas sur la reproduction de l'éponge elle-même, mais sur la traduction de sa géométrie de grille légère et solide en structures d'ingénierie optimisées par les calculs.
Le cadre du Venus Basket est en silice semblable à du verre. Les cadres longitudinaux et circonférentiels, les diagonales croisées et les motifs en spirale externes forment ensemble un treillis complexe, lui permettant de résister à la pression et aux courants marins profonds et de guider l'eau à travers ou autour du corps. L'équipe de recherche espère tirer des leçons de cette structure et résoudre les contradictions courantes dans la conception technique : le matériau doit être aussi léger que possible et utiliser le moins de matériaux possible, tout en étant suffisamment solide pour réduire la résistance et les vibrations causées par le vent ou l'écoulement de l'eau.
À cette fin, l'équipe a utilisé l'analyse par éléments finis pour évaluer la résistance structurelle, la dynamique des fluides informatique pour simuler l'écoulement, puis a utilisé un algorithme d'optimisation bayésienne multi-objectif pour filtrer et ajuster automatiquement des centaines de solutions géométriques. Les objectifs d'optimisation comprennent l'augmentation de la charge critique de flambement de la structure et la réduction de la traînée des fluides, de la portance et des fluctuations de portance ; cette dernière est liée au délestage des vortex et aux vibrations qu'il induit. Les chercheurs ont ensuite utilisé la stéréolithographie pour fabriquer les structures sélectionnées et ont vérifié les résultats de la simulation par des expériences de compression et de vélocimétrie par image de particules.
Les expériences montrent que sous différentes fractions volumiques de matériaux, la charge critique de flambage de la grille optimisée est augmentée d'environ 140 % en moyenne par rapport à la conception de base, tout en réduisant la traînée, la portance et la perte de vortex. Par exemple, Berkeley a déclaré qu'une structure cylindrique presque solide avec un taux d'ouverture d'environ 5 % seulement et une arête en spirale peut également supprimer de manière significative les vibrations induites par le fluide sans sacrifier la stabilité structurelle. Les chercheurs ont déclaré que ces améliorations proviennent de l’optimisation de la géométrie et n’augmentent pas le volume de matériau ; les valeurs pertinentes sont les résultats de comparaison de la structure expérimentale et du schéma de référence, et ne signifient pas que tous les matériaux ou applications peuvent être améliorés de la même manière.
L'équipe estime que cette méthode a le potentiel d'être utilisée dans des structures qui doivent être légères, résistantes aux charges et exposées à des environnements fluides pendant une longue période, notamment les composants d'avions, les structures de support de pipelines sous-marins et les stents médicaux qui aident à maintenir les canaux de fluides dans le corps. Il peut également convenir aux installations d'ingénierie affectées par le vent, telles que les immeubles de grande hauteur. La recherche en est encore au stade de la conception et de la vérification des prototypes, et les applications pratiques nécessitent des tests supplémentaires sur différents matériaux, échelles, charges et méthodes de fabrication.
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