Une technique inspirée de la dentelle pourrait un jour tisser des structures dans l’espace

Une technique inspirée de la dentelle pourrait un jour tisser des structures dans l'espace

Les chercheurs ont pu décrire les mathématiques qui sous-tendent de nombreuses formes pouvant être créées à partir de fines bandes de matériau flexible. Les techniques pourraient aider à former des matériaux qui changent de forme pour améliorer les performances à mesure que les conditions changent. Crédit : Neil Adelantar

Lauren Dreier parcourait un livre du XIXe siècle de l’architecte allemand Gottfried Semper lorsqu’elle a repéré des motifs intrigants inspirés de la dentelle. Artiste et designer professionnelle qui intègre souvent la technologie dans son travail, Dreier, qui est également candidate au doctorat à la School of Architecture de l’Université de Princeton, a décidé de recréer les illustrations imprimées en 3D.

Elle a attrapé un matériau plastique en forme de ruban qu’elle avait expérimenté dans son studio, pliant et reliant les bandes semi-rigides. À la surprise de Dreier, la structure qu’elle a construite a pris une géométrie bosselée, avec quatre collines et vallées distinctes. « Je pensais que cela ferait un dôme, mais c’était cette forme inhabituelle », a déclaré Dreier. Curieuse de savoir ce qui a causé cette tournure inattendue, elle a contacté Sigrid Adriaenssens, professeur agrégé au département de génie civil et environnemental de Princeton. Adriaenssens ne pouvait pas l’expliquer non plus, mais elle aussi était intriguée. Elle a proposé une enquête conjointe pour découvrir ce qui se cache derrière l’étrange mécanique structurelle.

La découverte de Dreier a abouti à la création d’une structure reconfigurable que les chercheurs ont appelée un anneau bigon. En peaufinant la conception spécifique des motifs de la structure, l’équipe a pu produire plusieurs géométries résultant de différents comportements de bouclage. Selon un article décrivant les découvertes dans le Journal of the Mechanics and Physics of Solids, le cadre numérique derrière la découverte peut être appliqué à n’importe quel réseau général de tiges élastiques, qu’elles soient en fil, en bambou ou en plastique. Cela pourrait également conduire à la création de nouveaux produits et technologies capables de changer de forme pour améliorer les performances dans des conditions variables, des engins spatiaux à la technologie portable.

Une technique inspirée de la dentelle pourrait un jour tisser des structures dans l'espace

Crédit : Université de Princeton

« En m’inspirant des modèles de laçage, je pense que nous pouvons dire que personne n’a fait ça auparavant », a déclaré Adriaenssens. « Certains de ces comportements étaient très inattendus, et juste en ajustant l’angle ou la largeur, vous obtenez un comportement totalement différent. »

Pour étudier la physique derrière ces observations, Dreier a travaillé en étroite collaboration avec plusieurs collaborateurs, dont Tian Yu, chercheur postdoctoral dans le laboratoire d’Adriaenssens. « C’est la première fois que je travaille avec un artiste et je ne m’attendais pas à travailler sur un projet inspiré par la dentelle », a déclaré Yu. « Je suis fasciné par la partie mécanique de ce projet. »

Contrairement aux dentellières traditionnelles qui utilisent des fils souples torsadés ensemble, les chercheurs ont organisé leurs créations en formations lâches et bouclées. « Il s’agit de créer un espace excédentaire entre les nœuds », a déclaré Dreier. L’équipe a commencé par fabriquer des structures fermées appelées bigons en fixant les extrémités de deux bandes initialement droites à un certain angle, créant des formes en forme d’œil ou d’amande. Semblables aux pinces à cheveux en métal des années 1990, les bigons présentaient une bistabilité, ou deux formes stables différentes entre lesquelles les structures pouvaient basculer lorsqu’une légère pression était appliquée.

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Crédit : Université de Princeton

À partir de là, les chercheurs ont disposé plusieurs bigons en chaîne, puis en boucle en connectant leurs extrémités. Les bigons bistables ont créé ensemble une structure globale qui pourrait former de nombreuses géométries possibles. Les structures étaient multistables, c’est-à-dire constituées d’un ensemble de formes dont chacune pouvait être stable indépendamment des autres. Les anneaux de bigon, comme ils appelaient ces nouvelles formes, présentaient parfois un comportement de pliage similaire à celui d’une lame de scie à ruban, se bouclant sur eux-mêmes. Mais leur comportement pouvait aussi être ajusté en ajustant l’angle d’intersection et le rapport hauteur/largeur des bandes qui composaient les bigons, et en changeant le nombre de bigons qui composaient l’anneau.

Alors que Dreier travaillait à la construction de ces structures, Yu a créé un modèle numérique qui leur est spécifique en utilisant les équations de la tige de Kirchhoff pour le comportement d’une tige élastique mince lorsqu’elle est chargée de forces et de déplacements. Les chercheurs ont pu confirmer l’exactitude du modèle en prenant des mesures à partir des créations physiques de Dreier et en comparant les résultats. Le modèle de calcul a également permis d’identifier différentes configurations que les bigons ou anneaux de bigons pourraient être capables de prendre théoriquement. Les chercheurs ont ensuite testé ces prédictions mathématiques à travers les modèles physiques pour voir quels équilibres étaient stables et lesquels ne l’étaient pas. « Beaucoup de va-et-vient sont venus de Tian qui a approfondi les données et a dit: » Si vous faites un anneau de six bigons à tel ou tel angle, que se passe-t-il? «  », a déclaré Dreier.

L’équipe a finalement produit un nouveau modèle numérique qui capture le comportement multistable et qui, selon les chercheurs, peut être appliqué à d’autres études qui examinent la mécanique des réseaux élastiques entrelacés généraux.

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Crédit : Université de Princeton

Dans les travaux futurs, l’équipe prévoit de mener une enquête plus approfondie sur les nombreuses formes que les structures à base de bigon sont capables de former et sur la meilleure façon d’atteindre des formes cibles spécifiques. Finalement, leurs découvertes pourraient conduire à de nouvelles conceptions de matériaux qui doivent être emballés pour prendre le moins de place possible, mais qui prennent une forme beaucoup plus grande une fois déballés. « Par exemple, les matériaux et les structures qui vont dans l’espace doivent être pliés en un paquet, placés dans une fusée, puis se développer dans une taille aussi grande que possible », a déclaré Adriaenssens. « Certaines de ces combinaisons de paramètres font cela. »

D’autres applications potentielles dans le monde réel incluent de nouveaux bras robotiques souples, des jouets et une technologie portable. Ce dernier, par exemple, pourrait inclure des textiles spéciaux qui se raidissent pour soutenir le bras de quelqu’un dans une certaine position et se desserrent dans d’autres. « Il peut envelopper les choses ou non, se raidir ou non », a déclaré Adriaenssens. « Il peut avoir de nombreuses fonctions.

En plus des applications pratiques du travail, le projet démontre également la valeur largement inexploitée de la collaboration interdisciplinaire entre artistes et ingénieurs. Alors que l’art a tendance à être guidé par l’intuition et les sentiments qui opèrent en dehors du domaine de la pensée scientifique, « il peut conduire à la découverte de certains phénomènes intéressants », a déclaré Dreier. « J’étais vraiment excité que ces différents mondes puissent se réunir d’une manière très pertinente. »


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Fourni par l’Université de Princeton

Citation: Une technique inspirée de la dentelle pourrait un jour tisser des structures dans l’espace (2021, 2 juin) récupéré le 2 juin 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-06-technique-lace-space.html

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