Les chercheurs de l'ETH Zurich ont développé des structures d'origami multifonctionnelles, qu'ils ont ensuite transformés en objets imprimés en 4D. Le principe de conception imite la structure d'une aile de perce-oreille.

Chaque enfant connaît l'origami. L'habileté de cet art oriental réside dans le pliage d'une feuille de papier plate en différentes structures - et dans certains cas très complexes -. Des exemples d'origami existent également dans le monde naturel. L'aile d'un perce-oreille en est une parfaite illustration :sa conception élaborée est bien plus ingénieuse que n'importe quelle structure artificielle.

Lorsqu'il est ouvert, l'aile du perce-oreille se dilate dix fois plus que lorsqu'elle est fermée - l'un des taux de pliage les plus élevés du règne animal. La grande surface des ailes permet à l'insecte de voler, tandis que la manière compacte dont les ailes se rétractent permet à la créature de creuser un tunnel sous terre sans endommager ses ailes.

La conception de l'aile a une autre caractéristique unique; cependant, à l'air libre, état verrouillé l'aile reste rigide sans besoin de puissance musculaire pour assurer la stabilité. En un seul "clic", l'aile se replie complètement sur elle-même, sans action musculaire.

La simulation apporte une percée

Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université Purdue ont étudié le secret des ailes en forme d'origami du perce-oreille et ont créé une structure artificielle qui fonctionne sur le même principe. Leur article vient de paraître dans la revue Science .

Pour analyser la structure et la fonction de l'aile, l'auteur principal de l'étude, Jakob Faber du groupe de recherche dirigé par André Studart, Professeur de matériaux complexes à l'ETH Zurich, en collaboration avec le professeur Andres Arrieta de l'Université Purdue a effectué une simulation informatique de la fonction de l'aile.

Cela a montré que si l'aile fonctionnait sur le principe classique de l'origami - en utilisant des supports rigides, plis droits avec une somme angulaire de 360 ​​degrés à leurs intersections - le perce-oreille ne pourrait plier son aile qu'au tiers de sa taille. Le facteur crucial dans la conception de l'aile de l'insecte est ses plis élastiques, qui peut fonctionner comme un ressort d'extension ou de rotation.

Les articulations des ailes sont constituées de couches d'un biopolymère élastique spécial, résiline, dont la disposition et l'épaisseur déterminent le type de ressort. Dans certains cas, les fonctions d'extension et de rotation sont combinées dans la même articulation.

Faber et ses collègues ont également examiné le point de l'aile du perce-oreille qui est responsable de la stabilité à la fois à l'état ouvert et fermé :l'articulation centrale de l'aile médiane. À ce point, les plis se croisent à des angles incompatibles avec la théorie rigide de l'origami. "Ce point verrouille le vantail en place à la fois dans son état ouvert et fermé, ", souligne Faber.

Objet imprimé en 4D

Les chercheurs ont transféré les résultats des simulations informatiques sur une imprimante 3D multi-matériaux. Cela leur a permis de fabriquer directement un objet 4D comprenant quatre plaques en plastique rigide reliées entre elles par un joint élastique souple. Les fonctions ressort des plis de liaison ont été programmées dans la matière pour leur permettre d'effectuer des mouvements d'extension ou de rotation, imitant le modèle biologique.

L'aile de l'insecte est stable lorsqu'elle est ouverte, mais se replie automatiquement même au moindre contact.

A l'étape suivante, les chercheurs ont transféré le principe à des éléments plus grands et imprimé une pince à ressort en origami. Cette structure s'auto-plie, se verrouille et est alors capable de saisir des objets sans avoir besoin d'un actionnement externe.

Applications pour les voyages dans l'espace

Faber's imprimé en 3D, Les éléments d'origami auto-pliants ne sont actuellement disponibles que sous forme de prototypes. Une application potentielle pourrait être l'électronique pliable. Un autre domaine est celui des voyages dans l'espace :des voiles solaires pour satellites ou sondes spatiales qui pourraient être transportées dans un espace très restreint puis déployées à leur taille maximale sur leur lieu d'utilisation. Des structures en origami bio-inspirées autobloquantes comme l'aile du perce-oreille permettraient de gagner de la place, poids et énergie, car ils ne nécessitent pas d'actionneurs ou de stabilisateurs supplémentaires.

Les chercheurs de l'ETH peuvent aussi imaginer des usages plus banals, comme les tentes pliables, des cartes ou des notices d'emballage. "Une fois que vous avez déplié ces choses, il est souvent impossible de les replier dans leur forme d'origine. Si, d'autre part, ils se sont simplement repliés automatiquement, cela éviterait bien des tracas, " dit Faber, avec un air joueur.