Grâce à la nouvelle interface conviviale, les chercheurs peuvent rapidement concevoir de nombreuses structures de métamatériaux cellulaires dotées de propriétés mécaniques uniques. Les ingénieurs sont constamment à la recherche de matériaux présentant des combinaisons de propriétés nouvelles et souhaitables. Par exemple, des matériaux légers ultra-résistants pourraient être utilisés pour rendre les avions et les voitures plus économes en carburant, ou des matériaux poreux et biomécaniquement respectueux pourraient être utilisés dans les implants osseux.
Les métamatériaux cellulaires – des structures artificielles composées d'unités ou de cellules qui se répètent selon divers modèles – pourraient aider à atteindre ces objectifs. Mais il est difficile de savoir quelle structure cellulaire produira les propriétés souhaitées. Même si l’on se concentre sur des structures constituées d’éléments plus petits tels que des poutres ou des tôles interconnectées, il existe d’innombrables dispositions possibles à considérer. En conséquence, les ingénieurs ne peuvent explorer manuellement qu’une fraction de tous les métamatériaux cellulaires hypothétiquement possibles.
Des chercheurs du MIT et de l'Institut autrichien des sciences et technologies ont développé une technique informatique qui permet aux utilisateurs de concevoir rapidement des unités de métamatériau à partir de n'importe quel élément de base plus petit, puis d'évaluer les propriétés du métamatériau résultant.
Leur approche fonctionne comme un système de CAO (conception assistée par ordinateur) spécialisé pour les métamatériaux, permettant aux ingénieurs de modéliser rapidement des métamatériaux très complexes et d'expérimenter des conceptions dont le développement peut prendre des jours. L'interface conviviale permet également aux utilisateurs d'explorer tout l'espace des formes métamatérielles potentielles puisque tous les éléments de base sont disponibles.
"Nous avons mis au point une représentation qui couvre toutes les différentes formes qui intéressent traditionnellement les ingénieurs. Parce que vous pouvez toutes les construire de la même manière, cela signifie que vous pouvez basculer entre elles de manière plus fluide", a déclaré Liane Makatura, étudiante diplômée en génie électrique et en informatique du MIT, co-auteur principal de l'article technique.
Makatura a co-écrit l'article avec Bohan Wang, postdoctorant au MIT. Yi-Lu Chen, étudiante diplômée à l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (ISTA) ; Bolei Deng, postdoctorant au MIT ; les professeurs Chris Wojtan et Bernd Bickel de l'ISTA ; et l'auteur principal Wojciech Matusik, professeur de génie électrique et d'informatique au MIT, qui dirige le groupe de conception et de fabrication informatiques du laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle du MIT. La recherche sera présentée au SIGGRAPH.
approche unifiée
Lorsqu’un scientifique développe un métamatériau cellulaire, il sélectionne généralement d’abord une représentation qui décrira sa conception potentielle. Cette sélection détermine l'ensemble des formes disponibles pour l'exploration. Par exemple, elle pourrait choisir une technique utilisant de nombreux faisceaux interconnectés pour représenter le métamatériau. Cependant, cela l’empêchait d’explorer des métamatériaux basés sur d’autres éléments, comme des plaques minces ou des structures 3D comme des sphères. Ces formes sont données par différentes représentations, mais jusqu'à présent, il n'existe pas de manière unifiée de décrire toutes les formes d'une seule manière.
"En choisissant un sous-espace spécifique à l'avance, vous limitez votre exploration et introduisez un biais basé sur votre intuition. Bien que cela puisse être utile, l'intuition peut être incorrecte et certaines autres formes peuvent valoir la peine d'être explorées pour votre application particulière", a déclaré Makatura.
Elle et ses collaborateurs ont pris du recul et ont regardé de plus près différents métamatériaux. Ils ont découvert que les formes qui composent la structure globale peuvent être facilement représentées par des formes de faible dimension : les poutres peuvent être réduites à des lignes ou les coques minces peuvent être compressées en surfaces planes.
Ils notent également que les métamatériaux cellulaires présentent souvent des symétries, de sorte que seule une petite partie de la structure doit être représentée. Le reste peut être construit en faisant pivoter et en reflétant la pièce initiale. "En combinant ces deux observations, nous sommes arrivés à l'idée que les métamatériaux cellulaires peuvent être bien représentés sous forme de structures graphiques", a-t-elle déclaré.
Grâce à une représentation graphique, les utilisateurs peuvent construire des squelettes de métamatériaux à l'aide de blocs de construction créés à partir de sommets et d'arêtes. Par exemple, pour créer une structure de poutre, vous placez un sommet à chaque extrémité de la poutre et vous les connectez par une ligne. L'utilisateur utilise ensuite la fonction sur cette ligne pour spécifier l'épaisseur de la poutre, qui peut varier de manière à ce qu'une partie de la poutre soit plus épaisse qu'une autre.
Le processus est similaire pour les surfaces : l'utilisateur marque les caractéristiques les plus importantes avec des sommets, puis sélectionne un solveur pour déduire le reste de la surface. Ces solveurs faciles à utiliser permettent même aux utilisateurs de construire rapidement des métamatériaux très complexes appelés surfaces minimales tripiodiques (TPMS). Ces structures sont très puissantes, mais le processus habituel de leur développement est ardu et sujet à l’échec.
"Avec notre démonstration, vous pouvez également commencer à combiner ces formes. Peut-être que des cellules contenant à la fois des structures TPMS et des structures de poutres pourraient vous donner des propriétés intéressantes. Mais jusqu'à présent, ces combinaisons n'ont pas été explorées à un quelconque degré", a-t-elle déclaré.
À la fin du processus, le système génère l'intégralité du processus basé sur un graphique, montrant chaque action entreprise par l'utilisateur pour arriver à la structure finale - tous les sommets, arêtes, solveurs, transformations et opérations d'épaississement.
Dans l'interface utilisateur, les concepteurs peuvent prévisualiser la structure actuelle à tout moment du processus de construction et prédire directement certaines propriétés, telles que sa rigidité. L'utilisateur peut ensuite ajuster certains paramètres de manière itérative et les évaluer à nouveau jusqu'à ce qu'une conception appropriée soit obtenue.
Les chercheurs ont utilisé leur système pour recréer la structure des métamatériaux dans de nombreuses classes uniques. Une fois le squelette conçu, la génération de chaque structure métamatérielle ne prend que quelques secondes.
Ils ont également créé des algorithmes d’exploration automatisés, donnant à chaque algorithme un ensemble de règles, puis les laissant librement entrer dans leur système. Lors d’un test, l’algorithme a renvoyé plus de 1 000 structures potentielles basées sur des fermes en une heure environ.
De plus, les chercheurs ont mené une étude auprès d’utilisateurs auprès de 10 personnes ayant peu ou pas d’expérience en modélisation de métamatériaux. Les utilisateurs ont pu modéliser avec succès les six structures qui leur ont été fournies, et la plupart ont convenu que la représentation du diagramme du programme rendait le processus plus facile.
"Nos représentants rendent une variété de structures plus accessibles. Nous sommes particulièrement satisfaits de la possibilité pour les utilisateurs de générer des TPMS. Ces structures complexes sont souvent difficiles à générer, même pour les experts. Néanmoins, l'un des TPMS de notre étude avait le temps de modélisation moyen le plus bas des six structures, ce qui est surprenant et passionnant", a-t-elle déclaré.
À l’avenir, les chercheurs espèrent améliorer leur technique en incorporant des procédures d’épaississement osseux plus complexes afin que le système puisse simuler une plus large gamme de formes. Ils souhaitent également continuer à explorer l’utilisation d’algorithmes générés automatiquement.
À plus long terme, ils espèrent utiliser le système pour effectuer une ingénierie inverse, où les propriétés matérielles souhaitées sont spécifiées, puis des algorithmes sont utilisés pour trouver la structure métamatérielle optimale.