Le mollusque chiton, qui mesure environ 1 à 2 pouces de long, a une série de huit grandes plaques et est entourée d'une ceinture de plus petites, échelles plus souples. Le mollusque est l'inspiration derrière une armure imprimée en 3D. Crédit :Virginia Tech
Les motivations pour utiliser la biologie comme source d'inspiration pour l'ingénierie varient en fonction du projet, mais pour Ling Li, professeur adjoint de génie mécanique au Collège d'ingénierie, la combinaison de flexibilité et de protection observée chez le mollusque chiton était toute la motivation nécessaire.
"Le système que nous avons développé est basé sur le chiton, qui a un système d'armure biologique unique, " dit Li. " La plupart des mollusques ont une seule coquille rigide, comme l'ormeau, ou deux coquillages, comme les palourdes.
Mais le chiton a huit plaques minéralisées recouvrant le sommet de la créature et autour de sa base il a une ceinture de très petites écailles assemblées comme des écailles de poisson, qui offrent flexibilité et protection."
Le travail de Li, qui figurait dans le journal Communication Nature 10 décembre est le résultat d'une collaboration avec des chercheurs de diverses institutions, dont le Massachusetts Institute of Technology, le Dana-Farber Cancer Institute de la Harvard Medical School, Université d'État de Californie, Fullerton, l'Institut Max Planck des Colloïdes et Interfaces, Allemagne, et le Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard.
Parce que la conception mécanique des écailles de ceinture du chiton n'avait pas été étudiée en profondeur auparavant, l'équipe de chercheurs devait commencer par une analyse matérielle et mécanique de base avec le mollusque avant d'utiliser ces informations comme bio-inspiration pour la recherche en ingénierie.
Une démonstration de l'armure flexible imprimée en 3D sur du verre brisé. Crédit :Virginia Tech
« Nous avons étudié ce matériel biologique de manière très détaillée. Nous avons quantifié sa microstructure interne, composition chimique, propriétés nano-mécaniques, et la géométrie tridimensionnelle. Nous avons étudié les variations géométriques des écailles à travers plusieurs espèces de chitons, et nous avons également étudié comment les échelles s'assemblent grâce à une analyse de tomographie 3D, " dit Li.
L'équipe a ensuite développé une méthodologie de modélisation 3D paramétrique pour imiter la géométrie des échelles individuelles. Ils ont assemblé des unités d'échelle individuelles sur des substrats plats ou incurvés, où les tailles des écailles, orientation, et les géométries peuvent également être variées, et utilisé l'impression 3D pour fabriquer les modèles d'armure à l'échelle bio-inspirés.
« Nous avons produit l'ensemble d'échelle inspiré de l'échelle de chiton directement avec une impression multi-matériaux 3D, qui se compose d'écailles très rigides sur un substrat flexible, " expliqua Li. Avec ces prototypes physiques de géométries et de tailles d'échantillons contrôlés, l'équipe a effectué des tests mécaniques directs sur eux avec des conditions de chargement contrôlées. Cela a permis aux chercheurs de comprendre les mécanismes derrière la double performance de protection-flexibilité du système d'armure biologique.
La façon dont l'armure d'échelle fonctionne est que lorsqu'elle est en contact avec une force, les écailles convergent vers l'intérieur les unes sur les autres pour former une barrière solide. Lorsqu'il n'est pas sous contrainte, ils peuvent "se déplacer" les uns sur les autres pour offrir une flexibilité variable en fonction de leur forme et de leur emplacement.
"La force vient de la façon dont les échelles sont organisées, de leur géométrie, " dit Li. " Reza est [Mirzaeifar, professeur adjoint de génie mécanique] a fait un travail incroyable en utilisant la modélisation informatique pour révéler davantage comment l'armure de l'échelle devient verrouillée et rigide lorsque la charge externe atteint une valeur critique. »
Professeur assistant de génie mécanique Ling Li, droit, avec les doctorants Ting Yang, la gauche, et Zhifei Deng, centre. Crédit :Virginia Tech
La conception d'une armure spécifique à un lieu tient compte de la taille des écailles utilisées. Échelles plus petites, tels que ceux autour de la ceinture du chiton, sont plus utiles pour les régions nécessitant un maximum de flexibilité, tandis que des échelles plus grandes sont utilisées pour les zones nécessitant plus de protection. "Travailler avec Reza, notre prochaine étape consiste à étendre l'espace afin que nous puissions concevoir une armure sur mesure pour différents endroits du corps.
Les besoins de flexibilité vs de protection de la poitrine, par exemple, sera différent de celui du coude ou du genou, nous aurions donc besoin de concevoir l'ensemble d'échelle en conséquence en termes de géométrie d'échelle, Taille, orientation, etc."
Le travail présenté a commencé avec un financement du ministère de la Défense lorsque Li était assistant de recherche diplômé au Massachusetts Institute of Technology. Depuis son arrivée chez Virginia Tech en 2017, le travail s'est poursuivi sans parrainage dans le cadre de son financement de démarrage.
« Nous avons commencé avec une motivation assez pure :rechercher des matériaux biologiques multifonctionnels, " a déclaré Li. "Nous voulions intégrer flexibilité et protection et c'est très difficile à réaliser avec les systèmes synthétiques. Nous poursuivrons nos recherches pour explorer l'espace de conception au-delà du système de modèle biologique d'origine et effectuer des tests dans différentes conditions de charge. »
Li admet le processus, qui a duré plusieurs années, c'est long, mais le travail est unique dans la façon dont ils l'ont abordé dès le départ en tant que processus en deux étapes dans la conduite de la recherche fondamentale sur les matériaux biologiques suivie de la recherche bio-inspirée.
"Avoir ce niveau de familiarité avec le sujet a été très utile pour la conception et la modélisation de l'armure, " a déclaré Li. "Je pense que ce type d'armure bio-inspirée représentera une amélioration significative par rapport à ce qui est actuellement disponible."
