Des métamatériaux déformables et résistants, assemblés à la manière d’un jeu de construction

Pour des raisons de coût et de répétabilité, les motifs de base sont fabriqués par injection plastique, en grande quantité. Ces motifs sont ensuite assemblés en volumes unitaires appelés voxels, qui sont eux-mêmes assemblés pour former des structures lattice.

Des structures aux propriétés mécaniques uniques

Les métamatériaux sont une nouvelle famille de matériaux possédant des propriétés acoustiques, mécaniques, thermiques ou électromagnétiques qui n’existent pas à l’état naturel. Les structures lattice (ou structures en treillis), font partie de cette famille, dont l’illustration typique est le nid d’abeille.

Dans un article paru dans la revue Science Advances, l’équipe de chercheurs du MIT Center for Bits and Atoms explique avoir créé quatre nouveaux types de structures appelées voxels (en référence à la notion de pixel volumique), qu’ils ont ensuite assemblées en treillis en utilisant des fixations mécaniques. Chaque structure possède des propriétés caractéristiques :

• Voxel rigide : combinaison exceptionnelle de légèreté et de haute rigidité ;
• Voxel conforme : les parties rigides sont remplacées par des formes jouant le rôle de ressort, ce qui permet une déformation élastique de la structure, suite à un effort de compression (coefficient de Poisson égal à zéro) ;
• Voxel auxétique : permet d’obtenir des structures à coefficient de Poisson négatif. Un cube fabriqué à partir de ce type de voxels présente l’étrange faculté de se contracter latéralement vers l’intérieur lorsqu’il subit une tension axiale ;
• Voxel chiral : ce type de structure répond à un effort axial par un mouvement de torsion, ce qui est inhabituel.

Voici une explication vidéo permettant de mieux comprendre le fonctionnement de ces voxels.

Une démonstration à l’échelle réelle avec des résultats étonnants

Les matériaux présentant des propriétés similaires à celles obtenues avec les structures de type voxel chiral ou auxétique ne sont pas totalement nouveaux. En revanche, l’équipe de chercheurs du MIT a réussi l’exploit de rendre ces propriétés accessibles, grâce à des procédés de fabrication conventionnels et économiques : injection plastique et assemblage par rivet.

Pour prouver cette accessibilité, l’équipe a collaboré avec des ingénieurs de Toyota pour produire un prototype de voiture de course ultraléger dans le but de participer à la compétition Supermileage (une compétition sur le principe de l’Eco-marathon Shell). Un mois d’assemblage leur a été nécessaire, ce qui est peu en comparaison au temps nécessaire à la fabrication d’une structure conventionnelle en fibre de verre.

Par ailleurs, cette compétition leur a permis de valider la résistance de ce type de structure, le véhicule ayant été accidenté pendant la course. À la surprise générale, le véhicule subit peu de dommages : la structure interne a démontré sa capacité à se déformer de manière élastique et à absorber les chocs.

Des applications potentielles en robotique

Alors que la tendance actuelle en matière de recherche est à la séparation entre robotique rigide et robotique molle, ces structures d’un nouveau genre ne rentrent dans aucune catégorie. Elles permettent pourtant de concevoir facilement des designs hétérogènes, ce qui ouvre la voie vers de nouvelles possibilités de structures anisotropes.

Dans un communiqué de presse du MIT, Benjamin Jenett, le premier auteur de l’étude affirme : « Maintenant, nous avons un système évolutif et peu coûteux, qui nous permet de concevoir ce que nous voulons. Nous pouvons fabriquer des quadrupèdes, des robots nageurs, des robots volants. Cette flexibilité est l’un des principaux bénéfices de ce système. »