Changer de forme en appuyant sur un bouton

Les matériaux programmables sont de véritables métamorphes. Ils peuvent modifier leurs caractéristiques de manière contrôlée et réversible en appuyant sur un bouton, s’adaptant indépendamment aux nouvelles conditions. Ils peuvent être utilisés, par exemple, pour fabriquer des chaises confortables ou des matelas qui préviennent les escarres. Pour les produire, le support est formé de manière à ce que la surface de contact soit grande, ce qui, par conséquent, abaisse la pression sur les parties du corps.

Ce type de matériau programmable est développé par des chercheurs du Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM, qui prévoient de le commercialiser avec l’aide de partenaires industriels. L’un de leurs objectifs est de réduire l’utilisation des ressources.

De nombreuses personnes à travers le monde sont alitées, que ce soit en raison d’une maladie, d’un accident ou de la vieillesse. Parce que les personnes touchées ne peuvent souvent pas bouger ou se retourner par elles-mêmes, elles se retrouvent souvent avec des escarres très douloureuses. À l’avenir, il devrait être possible d’éviter les escarres à l’aide de matériaux programmables pour adapter entièrement leur forme et leurs propriétés mécaniques.

Par exemple, le support du corps des matelas fabriqués à partir de matériaux programmables peut être ajusté dans n’importe quelle zone donnée en appuyant sur un bouton. De plus, la couche de support est formée de telle manière qu’une forte pression sur un point peut être répartie sur une zone plus large. Les zones du lit où la pression est exercée sont automatiquement rendues plus douces et plus élastiques. Les soignants peuvent également ajuster la position allongée ergonomique pour s’adapter au mieux à leur patient.

Matériaux et microstructuration

Des matériaux pour des applications nécessitant des changements spécifiques de rigidité ou de forme sont développés par des chercheurs de Fraunhofer CPM, qui est formé de six instituts principaux dans le but de concevoir et de produire des matériaux programmables. Alors, comment pouvons-nous programmer du matériel ?

“Essentiellement, il y a deux domaines clés où des ajustements peuvent être apportés : le matériau de base – les polymères thermoplastiques dans le cas des matelas et les alliages métalliques pour d’autres applications, y compris les alliages à mémoire de forme – et, plus précisément, la microstructure”, explique le Dr Heiko. Andrä, porte-parole sur le sujet à l’Institut Fraunhofer de mathématiques industrielles ITWM, l’un des instituts principaux Fraunhofer CPM.

“La microstructure de ces métamatériaux est constituée de cellules unitaires constituées d’éléments structurels tels que de petites poutres et des coques minces.” Alors que la taille de chaque cellule unitaire et ses éléments structurels dans les matériaux cellulaires conventionnels, comme les mousses, varient de manière aléatoire, les cellules dans les matériaux programmables sont également variables, mais peuvent être définies avec précision, c’est-à-dire programmées.

Cette programmation peut être faite, par exemple, de telle sorte qu’une pression sur une position particulière entraînera des changements spécifiques dans d’autres régions du matelas, c’est-à-dire augmenter la taille de la surface de contact et fournir un soutien optimal à certaines zones du corps. .

Les matériaux peuvent également réagir à la température ou à l’humidité

Le changement de forme que le matériau doit présenter et les stimuli auxquels il réagit – contrainte mécanique, chaleur, humidité ou même champ électrique ou magnétique – peuvent être déterminés par le choix du matériau et sa microstructure.

“Les matériaux programmables permettent d’adapter les produits à l’application ou à la personne spécifique afin qu’ils soient plus multifonctionnels qu’auparavant. En tant que tels, ils n’ont pas besoin d’être échangés aussi souvent. C’est particulièrement intéressant dans le contexte de l’économie de matériaux et de la durabilité, ” déclare Franziska Wenz, porte-parole adjointe sur le sujet à l’Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux IWM, un autre institut central du Fraunhofer CPM. Cela peut également créer une valeur ajoutée, grâce à laquelle les produits sont adaptés aux besoins individuels des utilisateurs.

Le parcours vers la candidature

Une seule pièce de matériau peut remplacer des systèmes entiers de capteurs, de régulateurs et d’actionneurs. L’objectif de Fraunhofer CPM est de réduire la complexité des systèmes en intégrant leurs fonctionnalités dans le matériau et en réduisant la diversité des matériaux. “Nous avons toujours à l’esprit les produits industriels lors du développement des matériaux programmables. Ainsi, nous tenons compte, entre autres, des processus de production de masse et de la fatigue des matériaux”, déclare Wenz.

Les premiers projets pilotes avec des partenaires de l’industrie sont également déjà en cours. L’équipe de recherche s’attend à ce qu’initialement, les matériaux programmables remplacent les composants des systèmes existants ou soient utilisés dans des applications spéciales telles que les matelas médicaux, les fauteuils confortables, les semelles de chaussures à amortissement variable et les vêtements de protection. “Progressivement, la proportion de matériaux programmables utilisés augmentera”, explique Andrä. En fin de compte, ils peuvent être utilisés partout, de la médecine et des articles de sport à la robotique douce et même à la recherche spatiale.