Inspirés par les os et autres solides cellulaires naturels, les humains ont utilisé le même concept pour développer des matériaux de construction. En modifiant la géométrie des cellules qui composent ces matériaux, les chercheurs peuvent adapter leurs propriétés mécaniques, thermiques ou acoustiques. Les matériaux de construction sont utilisés dans un large éventail d'applications, de la mousse d'emballage absorbant les chocs aux radiateurs de régulation thermique.

En utilisant le Kirigami, l'art japonais du kirigami et de l'origami, les chercheurs du MIT ont développé des matériaux ultra-résistants et légers dotés de propriétés mécaniques réglables telles que la rigidité et la flexibilité. Ces matériaux peuvent être utilisés dans les avions, les voitures ou les engins spatiaux. Source de l'image : Fournie par des chercheurs


Les chercheurs du MIT ont modifié un motif de pli en origami courant afin que les pointes acérées de la structure ondulée deviennent des facettes. Ces facettes, comme celles d'un diamant, fournissent une surface plane sur laquelle la plaque peut être plus facilement fixée avec des boulons ou des rivets. Source de l'image : Fournie par des chercheurs


Les chercheurs du MIT ont utilisé le Kirigami, l'art japonais ancien de l'origami et du kirigami, pour créer un matériau structurel haute performance appelé treillis à une échelle bien au-delà de ce que les scientifiques ont pu réaliser auparavant grâce à la fabrication additive. Cette technologie leur permet de créer ces structures à partir de métal ou d'autres matériaux avec des formes personnalisées et des propriétés mécaniques spécialement adaptées.

"Ce matériau ressemble au liège en acier. Il est plus léger que le liège mais présente une résistance et une rigidité élevées", a déclaré le professeur Neil Gershenfeld, directeur du Center for Bits and Atoms (CBA) du MIT et auteur principal d'un nouvel article sur cette approche.

Les chercheurs ont développé un processus de fabrication modulaire dans lequel de nombreuses pièces plus petites sont formées, pliées et assemblées pour obtenir des formes tridimensionnelles. Grâce à cette approche, ils créent des structures et des robots ultralégers et ultrarésistants capables de se déformer et de conserver leur forme sous des charges spécifiques.


Les chercheurs ont actionné la structure ondulée en tendant des fils d'acier sur des surfaces souples, puis en les connectant à un système de poulies et de moteurs, leur permettant de se plier dans les deux sens. Source de l'image : Fournie par des chercheurs

Parce que ces structures sont légères, solides, rigides et relativement faciles à produire en série, elles sont particulièrement utiles dans les composants de construction, d’avions, d’automobile ou aérospatiaux.

Les co-premiers auteurs de l'article, Alfonso Parra Rubio, assistant de recherche de l'ABC, et Klara Mundilova, étudiante diplômée en génie électrique et informatique du MIT, ainsi que David Preiss, étudiant diplômé de l'ABC, et Erik D. Demaine, professeur d'informatique au MIT, écrivent également l'article avec Gershenfeld. Les résultats de la recherche ont été présentés à la conférence sur les ordinateurs et l'information de l'American Society of Mechanical Engineers.

Les matériaux structurels tels que les treillis sont souvent utilisés comme noyau d'un matériau composite appelé structure sandwich. Pour imaginer une structure sandwich, imaginez une aile d'avion, où une série de poutres diagonales qui se croisent forment un noyau de treillis pris en sandwich entre les panneaux supérieur et inférieur. Cette structure en treillis a une rigidité et une résistance élevées tout en étant très légère.

Un treillis de panneaux est une structure en nid d'abeille composée d'intersections tridimensionnelles de plaques plutôt que de poutres. La résistance et la rigidité de ces structures hautes performances dépassent même celles des treillis en treillis, mais en raison de leurs formes complexes, leur fabrication à l'aide de techniques courantes telles que l'impression 3D est un défi, en particulier dans les applications d'ingénierie à grande échelle.

Les chercheurs du MIT ont surmonté ces défis de fabrication en utilisant du papier d'abrasin, une technique de pliage et de découpe du papier pour créer des formes 3D qui remonte aux artistes japonais du VIIe siècle.


Les chercheurs ont utilisé leur méthode pour créer une structure en aluminium ayant une résistance à la compression supérieure à 62 kilonewtons, mais ne pesant que 90 kilogrammes par mètre carré. Source de l'image : Fournie par des chercheurs

Kirigami a été utilisé pour créer des panneaux utilisant des plis en zigzag partiellement pliés. Mais pour réaliser une structure sandwich, des tôles plates doivent être fixées en haut et en bas de l'âme ondulée puis aux points étroits créés par les plis en chevrons. Cela nécessite souvent des adhésifs puissants ou des techniques de soudage, ce qui rend l'assemblage lent, coûteux et difficile à mettre à l'échelle.

Les chercheurs du MIT ont modifié un motif de pli en origami courant afin que les pointes acérées de la structure ondulée deviennent des facettes. Ces facettes, comme celles d'un diamant, fournissent une surface plane sur laquelle les plaques peuvent être plus facilement fixées avec des boulons ou des rivets.

"Les treillis à plaques surpassent les treillis à poutres en termes de résistance et de rigidité, tandis que le poids et la structure interne restent constants", a déclaré ParraRubio. "En utilisant la lithographie à deux photons pour la production à l'échelle nanométrique, la rigidité et la résistance théoriques ont atteint la limite supérieure HS. Les réseaux de plaques sont très difficiles à construire et ont donc été peu étudiés à l'échelle macro. Nous pensons que le pliage est un moyen de faciliter l'utilisation de telles structures en forme de plaques en métal. "

De plus, la façon dont les chercheurs ont conçu, plié et découpé les modèles leur a permis d'ajuster certaines propriétés mécaniques, telles que la rigidité, la résistance et le module de flexion (la tendance d'un matériau à résister à la flexion). Ils ont codé ces informations, ainsi que les formes tridimensionnelles, dans des cartes de plis, qu'ils ont utilisées pour créer ces ondulations de papier gélifié.

Par exemple, selon la façon dont les plis sont conçus, certaines cellules peuvent être façonnées de manière à conserver leur forme lorsqu'elles sont comprimées, tandis que d'autres peuvent être modifiées pour se plier. De cette manière, les chercheurs peuvent contrôler avec précision la déformation des différentes zones de la structure sous l’effet de la compression.

La flexibilité de la structure pouvant être contrôlée, ces ondulations pourraient être utilisées dans des robots ou d'autres applications dynamiques comportant des pièces mobiles, tordues et pliées.

Pour fabriquer de grandes structures comme des robots, les chercheurs utilisent un processus d'assemblage modulaire. Ils produisent en masse des motifs de plis plus petits et les assemblent en structures tridimensionnelles ultra légères et ultra résistantes. La structure plus petite présente moins de plis, ce qui simplifie le processus de fabrication.

À l’aide d’un motif Miura-ori modifié, les chercheurs ont créé un motif de plis qui produit la forme et les propriétés structurelles souhaitées. Ils ont ensuite utilisé une machine unique – une table de découpe Zund – pour découper des feuilles de métal plates et les plier en formes tridimensionnelles.

"Pour fabriquer des produits comme des voitures et des avions, vous devez investir massivement dans des moules. Ce processus de fabrication ne nécessite aucun outil, comme l'impression 3D. Mais contrairement à l'impression 3D, notre processus peut fixer les limites des propriétés des matériaux d'enregistrement", a déclaré Gershenfeld.

Grâce à leur méthode, ils ont créé une structure en aluminium ayant une résistance à la compression de plus de 62 kilonewtons mais ne pesant que 90 kilogrammes par mètre carré. (Le liège pèse environ 100 kilogrammes par mètre carré) Leur structure est très solide et peut résister à trois fois la force des ondulations en aluminium ordinaires.

Cette technologie polyvalente peut être utilisée dans une large gamme de matériaux, notamment l’acier et les composites, ce qui la rend idéale pour produire des composants légers amortisseurs de chocs pour avions, voitures ou engins spatiaux.

Cependant, les chercheurs ont constaté que leur approche pourrait être difficile à modéliser. Par conséquent, ils prévoient de développer à l’avenir des outils de conception CAO conviviaux pour ces structures en grille. En outre, ils espèrent explorer des méthodes permettant de réduire le coût de calcul lié à la simulation des performances requises par leurs conceptions.

Parra-Rubio, Mondilova et d'autres étudiants diplômés du MIT ont également utilisé cette technique pour créer trois grandes œuvres d'art pliées en composites d'aluminium, exposées au MIT Media Lab. Bien que chaque pièce mesure plusieurs mètres de long, la création des structures n’a pris que quelques heures.

"En fin de compte, cette œuvre d'art n'est possible que grâce aux contributions mathématiques et techniques que nous démontrons dans notre article. Mais nous ne voulons pas non plus perdre de vue la puissance esthétique de notre travail", a déclaré ParraRubio.