Les animaux marins inspirent de nouvelles approches pour l’optimisation de la topologie structurelle

Les animaux marins inspirent de nouvelles approches pour l'optimisation de la topologie structurelle

Actuellement, Paulino et l’équipe sont en phase de prototypage, imprimant des structures à l’aide d’une imprimante 3D stéréolithographique avec des photopolymères liquides comme base. Crédit: Candler Hobbs, Georgia Tech

Un mollusque et une crevette sont deux animaux marins improbables qui jouent un rôle très important dans l’ingénierie. Les corps des deux animaux illustrent comment des éléments naturels, comme les structures de leurs os et de leurs coquilles, peuvent être empruntés pour améliorer les performances des structures et des matériaux d’ingénierie, comme les ponts et les avions. Ce phénomène, connu sous le nom de biomimétique, contribue à faire progresser la recherche sur la topologie structurale, où les caractéristiques à l’échelle microscopique des systèmes naturels sont imitées.

Dans un article récent publié par des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de l’Université pontificale catholique de Rio de Janeiro (Brésil), une nouvelle approche de l’optimisation de la topologie structurelle est décrite qui unifie à la fois la conception et la fabrication pour créer de nouvelles microstructures, avec des applications potentielles allant des implants faciaux améliorés pour la reconstruction crânienne aux moyens améliorés pour obtenir des matériaux dans l’espace pour l’exploration planétaire.

«Avec l’optimisation de la topologie structurelle traditionnelle, nous utilisons des algorithmes pour déterminer la disposition idéale d’une structure, une structure qui maximise l’efficacité structurelle et nécessite moins de ressources matérielles», a déclaré Emily Sanders, titulaire d’un doctorat. étudiant à la School of Civil and Environmental Engineering de Georgia Tech et co-auteur de l’article. « Notre nouvelle recherche va encore plus loin en introduisant une hiérarchie structurelle, des microarchitectures et des propriétés mécaniques variant dans l’espace pour permettre différents types de fonctionnalités comme celles observées chez la seiche et la crevette mante. »

Les propriétés des deux animaux ont inspiré le nouveau cadre de conception de microstructures hiérarchiques à variation spatiale et ont obligé les chercheurs à s’appuyer sur les technologies existantes utilisées pour créer des structures imprimées en 3D.

«Dans nos travaux récents, nous avons développé une technologie qui inclut de nouveaux algorithmes et des calculs qui sont les catalyseurs d’une microstructure hiérarchique», a déclaré Glaucio Paulino, président Raymond Allen Jones et professeur à la School of Civil and Environmental Engineering de Georgia Tech, co -auteur du journal et récemment intronisé à la National Academy of Engineering. «Nous pouvons ensuite entrer ces informations dans des imprimantes 3D et créer des structures avec d’énormes quantités de détails. Après avoir étudié l’os de seiche poreux et stratifié qui possède des propriétés extrêmement adaptatives, nous avons pu l’appliquer à de nouvelles structures et matériaux comme le ceux montrés dans notre article. « 

Pour Paulino et son équipe, il espère que cette nouvelle recherche sera appliquée à ses travaux antérieurs sur la reconstruction crânienne chez les patients cancéreux et ceux qui ont subi des blessures faciales massives et une perte osseuse.

«Maintenant, nous pouvons imprimer en 3D des implants cranio-faciaux qui ont été conçus en utilisant l’optimisation de la topologie et fournir le cadre pour la repousse des tissus», a déclaré Paulino. «Idéalement, lorsqu’ils sont combinés avec les microarchitectures spatiales que nous avons récemment développées, les implants imiteraient plus étroitement la nature poreuse de l’os humain et favoriseraient la croissance de l’os lui-même à l’intérieur de l’échafaudage. À mesure que l’os se développe, l’échafaudage se biodégrade. , et si tout va bien, à la fin l’échafaudage a disparu et le patient a de nouveaux os aux bons endroits. « 

Conception et fabrication

Comme l’explique Sanders, il y a deux aspects examinés dans cet article qui font progresser l’étude de l’optimisation de la topologie: la conception et la fabrication. Le premier objectif est de concevoir une macro-géométrie optimale et en même temps, de répartir de manière optimale des micro-géométries variant spatialement à l’intérieur, afin d’atteindre les objectifs de performance. Dans cet article, les chercheurs recherchaient des pièces extrêmement rigides avec un volume limité, un peu comme la griffe de marteau crevette mante et ils ont atteint un niveau de complexité élevé qui imite la nature aux deux échelles.

Le deuxième objectif est lié à la fabrication nécessaire pour créer les structures. Grâce à la fabrication additive ou à l’impression 3D, les chercheurs peuvent fabriquer des structures aux géométries complexes. Mais avec l’introduction par l’équipe de recherche de microstructures spatialement variables, l’impression devient de plus en plus difficile.

Les animaux marins inspirent de nouvelles approches pour l'optimisation de la topologie structurelle

Glaucio Paulino et Emily Sanders, chercheurs du Georgia Institute of Technology, sont les co-auteurs de l’article. Crédit: Candler Hobbs, Georgia Tech

«Les données 3D plus complexes que nous aurions à envoyer à l’imprimante sont si énormes qu’elles sont prohibitives», a déclaré Sanders. «Nous avons donc dû trouver un nouveau moyen de communiquer ces informations à l’imprimante. Désormais, nous ne communiquons que des informations 2D, en intégrant les microstructures directement dans des tranches 2D de la structure. À la fin, l’imprimante combine les tranches pour obtenir la structure. C’est beaucoup plus efficace. « 

« Ce qu’Emily a fait avec la fabrication ferme la boucle », a déclaré Paulino. «Nous fournissons la conception, les mathématiques et les algorithmes. Et nous connectons l’optimisation de la topologie à la fabrication additive aux niveaux macro et micro.

Applications futures

En considérant l’avenir des progrès réalisés dans l’optimisation de la topologie structurelle dans cet article, Paulino et Sanders voient tous deux des applications dans les biomatériaux, ainsi que des propriétés magnétiques conçues pour l’exploration spatiale.

Pour le travail de Paulino qui se poursuit dans la reconstruction crânienne, il envisage des collaborations interdisciplinaires entre l’ingénierie, la chimie et la biologie pour développer des matériaux et des architectures biocompatibles à usage médical.

« Nous n’en sommes pas encore là, mais ce travail est un pas dans la bonne direction », a déclaré Paulino. «À terme, nous serons en mesure d’imprimer des matériaux biocompatibles. Cette recherche avec des microarchitectures spatialement variables devrait permettre une conception et une fabrication optimales pour les applications de biomatériaux.

En ce qui concerne l’exploration spatiale, la recherche pourrait avoir un impact sur la création de structures et de systèmes synthétiques fonctionnels, comme des assemblages de matériaux magnétiques qui pourraient être actionnés à la demande au moyen de champs magnétiques appliqués.

«Un aspect important de ce travail est qu’il a ouvert notre espace de conception afin que nous puissions avoir des propriétés spatialement variables, ce qui nous permet de faire des choses que nous ne pouvions pas auparavant», a déclaré Sanders.

Paulino poursuit en expliquant qu’avec les voyages dans l’espace, chaque livre de matériel envoyé dans l’espace a un coût énorme, de sorte que la quantité de matériel et le volume apportés aux missions spatiales sont très limités.

«La façon dont je vois notre fabrication dans l’espace est que vous imprimez sur place, en utilisant potentiellement des matériaux d’impression de la planète étrangère elle-même», a déclaré Paulino. «Vous pouvez apporter les capacités d’impression additive à Mars et imprimer des structures avec les propriétés dont vous avez besoin lorsque vous y arrivez. Vous n’imprimez que ce dont vous avez besoin au lieu d’apporter tout ce dont vous pensez avoir besoin. Dans l’espace, vous voulez que tout ce que vous faites soit optimisé. « 

Inspiré par les animaux et leur fonctionnement dans la nature, Paulino et son équipe ont une fois de plus fait évoluer l’optimisation de la topologie, cette fois avec la nouvelle conception et la fabrication de structures hiérarchiques variant dans l’espace. Et, bientôt, des applications pratiques en biomédecine et en exploration spatiale suivront à coup sûr.


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Plus d’information:
ED Sanders et al, Embedded multilattice optimal et continu, Progrès scientifiques (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abf4838

Fourni par Georgia Institute of Technology

Citation: Les animaux marins inspirent de nouvelles approches pour l’optimisation de la topologie structurelle (2021, 20 avril) récupéré le 20 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-04-marine-animals-approaches-topology-optimization.html

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