Les chercheurs étudient de nouveaux matériaux pour jeter les bases de structures vivantes qui répondent à leur environnement. Ils visent à créer des infrastructures autonomes capables de surveiller leur état et même de se réparer elles-mêmes.

Quand Eleni Chatzi n'est pas occupée à lire des articles techniques sur les ponts vibrants, infrastructures intelligentes et ingénierie data-driven, elle aime se plonger dans les romans de science-fiction. "J'aime réfléchir aux idées non conventionnelles et imaginer un monde à venir, " dit Chatzi, Professeur de mécanique des structures à l'ETH Zurich. En effet, il y a une touche de science-fiction quand elle parle d'applications auxquelles ses recherches pourraient conduire un jour. L'une de ces visions futuristes est celle des ponts qui poussent à partir d'une poignée de graines et se composent entièrement de matière organique.

Cet ingénieur civil de 38 ans, dont la chaire est financée par l'Albert Lück-Stiftung depuis 2010, se spécialise dans la surveillance de la santé des structures. Chatzi diagnostique la santé des barrages, des ponts, éoliennes, aéronefs et véhicules utilisant des capteurs, des algorithmes qui convertissent et traitent les signaux, et l'apprentissage automatique. Actuellement, les ingénieurs doivent soit installer à l'extérieur les capteurs nécessaires pour mesurer la tension, déformation, accélération, vent et tension, ou incorporer ces dispositifs dans la conception structurelle initiale. "Toutefois, il s'agit généralement d'une dépense supplémentaire et d'un facteur perturbateur, notamment sur les chantiers, " explique Chatzi. Les équipes doivent installer d'innombrables câbles pour transmettre les données mesurées à un ordinateur central pour analyse. " C'est pourquoi nous souhaitons développer des infrastructures et des machines à intelligence intrinsèque qui connaissent leur état même sans capteurs montés à l'extérieur, " dit Chatzi.

Le béton conscient

Une classe de matériaux sans précédent fournit le fondement de ce type d'infrastructure consciente de soi - et les chercheurs du monde entier ont été occupés à explorer leurs mystères au cours des dernières années. Un exemple est le béton auto-détectable intrinsèque. Mélangé à des fibres de carbone, nanotubes de carbone et poudre de nickel, ce matériau surveille son état de manière autonome pour fournir des informations sur les fissures, l'humidité ou des charges inhabituellement lourdes. Ces données sont extraites de la structure en appliquant une tension et en mesurant constamment la résistance électrique.

Un deuxième axe de recherche sur les matériaux aux propriétés d'auto-guérison va dans le même sens. L'année dernière, dans un projet inspiré de la photosynthèse végétale, Des chercheurs américains ont présenté un polymère capable de se réparer en réagissant avec le dioxyde de carbone de l'air ambiant. D'autres groupes travaillent avec des bactéries qui forment de la chaux lorsqu'elles sont exposées à l'eau de pluie et à d'autres humidités. Ajouté au béton, ils peuvent sceller de petites fissures par eux-mêmes. Des expériences sont en cours avec des réseaux microvasculaires qui libèrent des fluides de « guérison » lorsqu'une blessure survient. Réagissant un peu comme l'organisme humain à une plaie cutanée, ils polymérisent pour combler les fractures.

Incorporer des fonctions biologiques

« Nous assistons à une fusion de la science des matériaux et de la biologie, " dit Mark Tibbitt, Professeur au Laboratoire d'ingénierie macromoléculaire de l'ETH Zurich. Il note que dans le passé, Les ingénieurs chimistes et autres s'étaient principalement inspirés de la nature pour imiter des propriétés telles que la capacité de la fleur de lotus à repousser l'eau. "Aujourd'hui, nous essayons d'incorporer des fonctions biologiques dans les matériaux. » Ces efforts sont alimentés par des percées dans la science des matériaux et la biotechnologie. L'ingénierie de l'ADN et les nouvelles méthodes de biologie moléculaire telles que l'édition de gènes CRISPR/Cas peuvent désormais servir à introduire de nouvelles fonctions biologiques dans les cellules pour des La fabrication additive à l'aide d'imprimantes 3D permet une haute résolution, conception matérielle basée sur les données. Combinant des concepts de plusieurs domaines—génie chimique, chimie des polymères, science des matériaux et biologie des systèmes—les recherches de Tibbitt visent à développer des polymères de type tissu pour des applications biomédicales.

"Ce qui est fascinant avec les organismes vivants, c'est qu'ils perçoivent leur environnement, réagir et même se soigner en cas de blessure. Nous voulons insuffler ces qualités dans les matériaux et les infrastructures, " dit Tibbitt. Il pense que les applications futures pourraient inclure des plantes d'intérieur qui nettoient l'air et changent la couleur de leurs feuilles pour attirer l'attention sur la qualité de l'air, et des bâtiments qui changent avec les saisons pour garder leur climat intérieur confortable.

Tibbitt a rencontré Eleni Chatzi il y a un an lors d'un événement pour explorer des voies de recherche radicalement nouvelles. Bien que les deux fonctionnent à des échelles très différentes, ils parlent souvent des mêmes concepts. Les sujets récurrents incluent des matériaux qui peuvent "se guérir" eux-mêmes. Récemment, ils ont commencé à favoriser le dialogue entre les chercheurs de l'ETH sur la vie, matériaux et infrastructures auto-détectables et auto-cicatrisants. Scientifiques des matériaux, chimique, ingénieurs civils et électriciens, biologistes et informaticiens se sont tous associés pour développer des matériaux dans le but de travailler à différentes échelles dès le départ au lieu de les mettre à l'échelle ultérieurement. "L'ETH Zurich est la plaque tournante idéale pour cette entreprise car elle possède une grande expertise dans tous les domaines clés, » précise Tibbitt. Un premier atelier et un colloque sont prévus au printemps 2020 pour que des experts échangent sur le sujet. L'idée est de définir des questions de recherche puis de lancer les premiers projets transdisciplinaires.

Vivre avec des environnements animés

C'est une nouvelle voie de recherche dans laquelle Chatzi et Tibbitt se sont lancés, et à ce stade, il y a beaucoup plus de questions que de réponses. Une grande question est de savoir comment assurer la sécurité et la stabilité lorsque les infrastructures développent leur propre vie. Un autre est la façon dont les humains et les animaux réagiront à un environnement artificiel composé d'organismes vivants. Et que se passe-t-il si un organisme synthétique s'échappe d'un nouveau matériau de construction dans les eaux environnantes ? "Nous devons réfléchir aux questions de bioéthique et aux problèmes de sécurité dès le premier jour, " dit Tibbitt.

De tels risques présentent également de grandes opportunités :la production de béton représente environ huit pour cent du CO2 mondial d'aujourd'hui. 2 émissions. Des bandes entières de plages de sable sont sacrifiées au boom mondial de la construction. De nombreuses décharges regorgent de gravats provenant de bâtiments démolis. Les infrastructures organiques aux cycles de matériaux fermés, comme les ponts en fibre végétale remarquablement robuste, offrent une alternative durable. S'il est endommagé, ils pourraient se réparer. A la fin de leur durée de vie, ils pourraient simplement se décomposer en composants compostables individuels.