Des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour) et le California Institute of Technology (Caltech), États Unis, ont développé un nouveau type de tissu « cotte de mailles » qui est flexible comme le tissu mais peut se raidir à la demande.

Le tissu léger est imprimé en 3D à partir de polymères plastiques en nylon et comprend des octaèdres creux (une forme avec huit faces triangulaires égales) qui s'imbriquent les uns dans les autres.

Lorsque le tissu doux est enveloppé dans une enveloppe en plastique souple et emballé sous vide, il se transforme en une structure rigide qui est 25 fois plus rigide ou plus difficile à plier que lorsqu'elle est relâchée. Le principe physique qui le sous-tend s'appelle " transition de brouillage ", similaire au comportement de raidissement dans les sacs de riz ou de haricots emballés sous vide.

Connu sous le nom de « tissus structurés portables », le développement pourrait ouvrir la voie à des tissus intelligents de nouvelle génération qui peuvent durcir pour protéger un utilisateur contre un impact ou lorsqu'une capacité de charge supplémentaire est nécessaire.

Les applications potentielles peuvent inclure des gilets pare-balles ou anti-coups, un accompagnement médical paramétrable pour les personnes âgées, et des exosquelettes protecteurs pour les sports à fort impact ou les lieux de travail comme les chantiers de construction.

Publié aujourd'hui dans La nature , cette recherche interdisciplinaire résulte d'une collaboration entre des experts en génie mécanique et en fabrication de pointe.

Auteur principal de l'article, Professeur adjoint à Nanyang Wang Yifan, ont déclaré que leur recherche a une importance fondamentale ainsi qu'une pertinence industrielle et qu'elle pourrait conduire à une nouvelle technologie de plate-forme avec des applications dans les systèmes médicaux et robotiques qui peuvent bénéficier à la société.

« Avec un tissu technique léger et ajustable, qui passe facilement de souple à rigide, nous pouvons l'utiliser pour répondre aux besoins des patients et de la population vieillissante, par exemple, pour créer des exosquelettes qui peuvent les aider à se tenir debout, transporter des charges et les assister dans leurs tâches quotidiennes, " a déclaré le professeur adjoint Wang de l'École d'ingénierie mécanique et aérospatiale de NTU, qui a commencé cette recherche alors qu'il était chercheur post-doctoral à Caltech.

"Inspiré de l'ancienne cotte de mailles, nous avons utilisé des particules creuses en plastique qui sont imbriquées pour améliorer la rigidité de nos tissus réglables. Pour augmenter encore la rigidité et la résistance du matériau, nous travaillons maintenant sur des tissus fabriqués à partir de divers métaux dont l'aluminium, qui pourrait être utilisé pour des applications industrielles à plus grande échelle nécessitant une capacité de charge plus élevée, comme des ponts ou des bâtiments.

Auteur correspondant de l'article, Professeur Chiara Daraio, Professeur G. Bradford Jones de Caltech en génie mécanique et physique appliquée, mentionné, "Nous voulions fabriquer des matériaux qui peuvent changer de rigidité sur commande. Nous aimerions créer un tissu qui passe de doux et pliable à rigide et porteur de manière contrôlable."

Un exemple de la culture populaire serait la cape de Batman dans le film de 2005 Batman commence , qui est généralement flexible mais peut être rendu rigide à volonté lorsque le croisé capé en a besoin comme planeur.

La science derrière le tissu imbriqué

Le concept scientifique derrière le tissu à rigidité variable est appelé « transition de brouillage ». Il s'agit d'une transition dans laquelle les agrégats de particules solides passent d'un état mou de type fluide à un état rigide de type solide, avec une légère augmentation de la densité de tassement. Cependant, les particules solides typiques sont généralement trop lourdes et n'offrent pas une résistance à la traction suffisante pour les applications portables.

Dans leurs recherches, les auteurs ont conçu des particules structurées - où chaque particule est constituée de cadres creux - en forme d'anneaux, ovales, carrés, cubes, pyramides et différentes formes d'octaèdres qui sont ensuite imbriqués ensemble. Ces structures, connues sous le nom de structures imbriquées topologiquement, peut ensuite être transformé en un tissu de cotte de mailles qui a une faible densité et pourtant une rigidité à la traction élevée, en utilisant une technologie d'impression 3D de pointe pour les imprimer en une seule pièce.

Ils ont ensuite modélisé le nombre moyen de points de contact par particule et combien chaque structure se pliera en réponse à la quantité de contrainte appliquée. L'équipe a découvert qu'en personnalisant la forme des particules, il y avait un compromis entre le poids des particules et la capacité de pliage du tissu, et comment équilibrer les deux facteurs.

Pour ajouter un moyen de contrôler la rigidité du tissu, l'équipe a encapsulé le tissu de cotte de mailles dans une enveloppe en plastique souple et a compacté les tissus à l'aide d'un aspirateur, qui exerce une pression de l'extérieur. La pression du vide augmente la densité de tassement du tissu, amenant chaque particule à avoir plus de contact avec ses voisines, résultant, pour le tissu à base d'octaèdre, dans une structure 25 fois plus rigide. Une fois formé dans un plat, structure en forme de table et verrouillée sous vide, le tissu peut supporter une charge de 1,5 kg, plus de 50 fois le poids des tissus.

Dans une autre expérience, l'équipe a laissé tomber une petite bille d'acier (30 grammes, mesurant 1,27 cm de diamètre) sur la cotte de mailles à 3 mètres par seconde. L'impact a déformé le tissu jusqu'à 26 mm lorsqu'il était détendu, mais de seulement 3 mm lorsqu'il a été rigidifié, une réduction de six fois de la profondeur de pénétration.

Pour montrer les possibilités de leur concept de tissu en utilisant différentes matières premières, l'équipe a imprimé en 3D la cotte de mailles à l'aide d'aluminium et a démontré qu'elle a la même flexibilité et les mêmes performances « douces » que le nylon lorsqu'elle est détendu et pourtant elle peut également être « bloquée » dans des structures beaucoup plus rigides que le nylon en raison de l'aluminium plus grande rigidité et résistance.

Ces cottes de mailles métalliques pourraient être utilisées dans des applications telles que les gilets pare-balles, où ils doivent protéger contre les impacts durs et à grande vitesse d'objets tranchants. Dans ce cas, le matériau d'encapsulation ou d'enveloppe pourrait être constitué de fibres d'aramide, communément appelé Kevlar, utilisé comme tissu dans les gilets pare-balles.

Avancer, l'équipe cherche à améliorer les performances des matériaux et des tissus de leur cotte de mailles et à explorer d'autres méthodes pour la rigidifier, comme par le magnétisme, l'électricité ou la température.