Les chercheurs du Center for Bits and Atoms du MIT ont créé de minuscules blocs de construction qui présentent une variété de propriétés mécaniques uniques, comme la capacité de produire un mouvement de torsion lorsqu'il est pressé. Ces sous-unités pourraient potentiellement être assemblées par de minuscules robots en une variété presque illimitée d'objets dotés de fonctionnalités intégrées, y compris les véhicules, grandes pièces industrielles, ou des robots spécialisés qui peuvent être réassemblés à plusieurs reprises sous différentes formes.

Les chercheurs ont créé quatre types différents de ces sous-unités, appelés voxels (une variation 3-D sur les pixels d'une image 2-D). Chaque type de voxel présente des propriétés spéciales que l'on ne trouve pas dans les matériaux naturels typiques, et en combinaison, ils peuvent être utilisés pour fabriquer des dispositifs qui répondent aux stimuli environnementaux de manière prévisible. Les exemples pourraient inclure des ailes d'avion ou des pales de turbine qui réagissent aux changements de pression de l'air ou de vitesse du vent en changeant leur forme générale.

Les résultats, qui détaillent la création d'une famille de « métamatériaux mécaniques discrets, " sont décrites dans un article publié aujourd'hui dans la revue Avancées scientifiques , rédigé par Benjamin Jenett Ph.D., récent doctorat du MIT. '20, Professeur Neil Gershenfeld, et quatre autres.

Les métamatériaux tirent leur nom du fait que leurs propriétés à grande échelle sont différentes des propriétés de microniveau de leurs matériaux constitutifs. Ils sont utilisés en électromagnétisme et comme matériaux « architecturés », qui sont conçus au niveau de leur microstructure. "Mais il n'y a pas eu beaucoup de choses sur la création de propriétés mécaniques macroscopiques en tant que métamatériau, " dit Gershenfeld.

Avec cette approche, les ingénieurs doivent être capables de construire des structures incorporant un large éventail de propriétés matérielles et de les produire toutes en utilisant les mêmes processus de production et d'assemblage partagés, dit Gershenfeld.

Les voxels sont assemblés à partir de pièces de cadre plat en polymères moulés par injection, puis combinés en formes tridimensionnelles qui peuvent être jointes en de plus grandes structures fonctionnelles. Ils sont pour la plupart à aire ouverte et offrent ainsi un cadre extrêmement léger mais rigide lorsqu'ils sont assemblés. Outre l'unité rigide de base, qui offre une combinaison exceptionnelle de résistance et de légèreté, il existe trois autres variantes de ces voxels, chacun avec une propriété inhabituelle différente.

Les voxels "auxétiques" ont une étrange propriété dans laquelle un cube de la matière, lorsqu'il est compressé, au lieu d'être bombé sur les côtés, il est en fait bombé vers l'intérieur. Il s'agit de la première démonstration d'un tel matériau produit par des méthodes de fabrication conventionnelles et peu coûteuses.

Il existe aussi des voxels "conformes", avec un coefficient de Poisson nul, qui est quelque peu similaire à la propriété auxétique, mais dans ce cas, lorsque le matériau est comprimé, les côtés ne changent pas du tout de forme. Peu de matériaux connus présentent cette propriété, qui peut maintenant être produit grâce à cette nouvelle approche.

Finalement, Les voxels "chiraux" répondent à la compression ou à l'étirement axial par un mouvement de torsion. De nouveau, c'est une propriété rare; la recherche qui a produit un tel matériau grâce à des techniques de fabrication complexes a été saluée l'année dernière comme une découverte importante. Ce travail rend cette propriété facilement accessible aux échelles macroscopiques.

"Chaque type de propriété matérielle que nous montrons a déjà été son propre champ, " dit Gershenfeld. " Les gens écrivaient des articles sur cette seule propriété. C'est la première chose qui les montre tous dans un seul système."

Pour démontrer le potentiel réel des grands objets construits à la manière des LEGO à partir de ces voxels produits en série, l'équipe, travailler en collaboration avec les ingénieurs de Toyota, a produit une voiture de course fonctionnelle à super kilométrage, dont ils ont fait la démonstration dans les rues lors d'une conférence internationale sur la robotique plus tôt cette année.

Ils ont pu assembler le poids léger, structure performante en un mois seulement, Jenet dit, alors que la construction d'une structure comparable à l'aide de méthodes de construction conventionnelles en fibre de verre avait auparavant pris un an.

Lors de la manifestation, les rues étaient glissantes à cause de la pluie, et la voiture de course a fini par percuter une barrière. À la surprise de toutes les personnes impliquées, la structure interne en treillis de la voiture s'est déformée puis a rebondi, absorbant le choc avec peu de dommages. Une voiture de construction conventionnelle, Jenet dit, aurait probablement été gravement cabossé s'il était en métal, ou brisé s'il était composite.

La voiture a fourni une démonstration éclatante du fait que ces minuscules pièces peuvent en effet être utilisées pour fabriquer des appareils fonctionnels à l'échelle humaine. Et, Gershenfeld fait remarquer, dans la structure de la voiture, "Ce ne sont pas des parties connectées à autre chose. Le tout est fait de rien d'autre que de ces parties, " à l'exception des moteurs et de l'alimentation.

Parce que les voxels sont de taille et de composition uniformes, ils peuvent être combinés de toutes les manières nécessaires pour fournir différentes fonctions pour le dispositif résultant. « Nous pouvons couvrir un large éventail de propriétés de matériaux qui étaient auparavant considérées comme très spécialisées, " dit Gershenfeld. " Le fait est que vous n'avez pas à choisir une propriété. Tu peux faire, par exemple, des robots qui se plient dans une direction et sont rigides dans une autre direction et ne se déplacent que de certaines manières. Et donc, le grand changement par rapport à nos travaux antérieurs est cette capacité à couvrir plusieurs propriétés mécaniques des matériaux, qui jusqu'à présent ont été considérés isolément.

Jenet, qui a réalisé une grande partie de ce travail comme base de sa thèse de doctorat, dit "ces pièces sont bon marché, facile à produire, et très rapide à assembler, et vous obtenez cette gamme de propriétés dans un seul système. Ils sont tous compatibles les uns avec les autres, donc il y a tous ces différents types de propriétés exotiques, mais ils jouent tous bien les uns avec les autres dans le même évolutif, système pas cher."

"Pensez à toutes les pièces rigides et pièces mobiles dans les voitures et les robots et les bateaux et les avions, " dit Gershenfeld. " Et nous pouvons couvrir tout cela avec ce seul système. "

Un facteur clé est qu'une structure composée d'un type de ces voxels se comportera exactement de la même manière que la sous-unité elle-même, dit Jenett. « Nous avons pu démontrer que les joints disparaissent effectivement lorsque vous assemblez les pièces. Cela se comporte comme un continuum, matériau monolithique."

Alors que la recherche en robotique a eu tendance à être divisée entre les robots durs et les robots mous, "Ce n'est vraiment ni l'un ni l'autre, " dit Gershenfeld, because of its potential to mix and match these properties within a single device.

One of the possible early application of this technology, Jenett says, could be for building the blades of wind turbines. As these structures become ever larger, transporting the blades to their operating site becomes a serious logistical issue, whereas if they are assembled from thousands of tiny subunits, that job can be done at the site, eliminating the transportation issue. De la même manière, the disposal of used turbine blades is already becoming a serious problem because of their large size and lack of recyclability. But blades made up of tiny voxels could be disassembled on site, and the voxels then reused to make something else.

And in addition, the blades themselves could be more efficient, because they could have a mix of mechanical properties designed into the structure that would allow them to respond dynamically, passively, to changes in wind strength, il dit.

Globalement, Jenett says, "Now we have this low-cost, scalable system, so we can design whatever we want to. We can do quadrupeds, we can do swimming robots, we can do flying robots. That flexibility is one of the key benefits of the system."