Les ingénieurs de l'Université Duke ont développé une surface douce évolutive qui peut se remodeler en permanence pour imiter les objets de la nature. S'appuyant sur l'actionnement électromagnétique, la modélisation mécanique et l'apprentissage automatique pour former de nouvelles configurations, la surface peut même apprendre à s'adapter à des obstacles tels que des éléments cassés, des contraintes inattendues ou des environnements changeants.

La recherche paraît en ligne le 21 septembre dans la revue Nature .

« Nous sommes motivés par l'idée de contrôler les propriétés des matériaux ou les comportements mécaniques d'un objet d'ingénierie à la volée, ce qui pourrait être utile pour des applications telles que la robotique douce, la réalité augmentée, les matériaux biomimétiques et les objets portables spécifiques à un sujet », a déclaré Xiaoyue Ni, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Nous nous concentrons sur l'ingénierie de la forme de la matière qui n'a pas été prédéterminée, ce qui est une tâche assez difficile à réaliser, en particulier pour les matériaux mous."

Les travaux antérieurs sur le morphing de la matière, selon Ni, n'ont généralement pas été programmables; il a été programmé à la place. Autrement dit, les surfaces souples équipées d'éléments actifs conçus peuvent changer de forme entre quelques formes, comme un morceau d'origami, en réponse à la lumière ou à la chaleur ou à d'autres déclencheurs de stimuli. En revanche, Ni et son laboratoire voulaient créer quelque chose de beaucoup plus contrôlable qui pourrait se transformer et se reconfigurer aussi souvent qu'il le souhaite dans toutes les formes physiquement possibles.

Pour créer une telle surface, les chercheurs ont commencé par disposer une grille de poutres en forme de serpent constituées d'une fine couche d'or encapsulée par une fine couche de polymère. Les faisceaux individuels ne mesurent que huit micromètres d'épaisseur, soit environ l'épaisseur d'une fibre de coton, et moins d'un millimètre de large. La légèreté des faisceaux permet aux forces magnétiques de les déformer facilement et rapidement.

Pour générer des forces locales, la surface est placée dans un champ magnétique statique de faible niveau. Les changements de tension créent un courant électrique complexe mais facilement prévisible le long de la grille dorée, entraînant le déplacement hors plan de la grille.

"Il s'agit de la première surface artificielle douce suffisamment rapide pour imiter avec précision un processus de changement de forme continu dans la nature", a déclaré Ni. "Une avancée clé est la conception structurelle qui permet une relation linéaire inhabituelle entre les entrées électriques et la forme résultante, ce qui permet de comprendre facilement comment appliquer des tensions pour obtenir une grande variété de formes cibles."

La nouvelle "métasurface" montre un large éventail de compétences de morphing et d'imitation. Il crée des renflements qui montent et se déplacent autour de la surface comme un chat essayant de trouver son chemin sous une couverture, des motifs de vagues oscillants et une réplique convaincante d'une goutte de liquide dégoulinant et tombant sur une surface solide. Et il produit ces formes et comportements à n'importe quelle vitesse ou accélération souhaitée, ce qui signifie qu'il peut réinventer ce chat piégé ou cette goutte goutte au ralenti ou en avance rapide.

Avec des caméras surveillant la surface de morphing, la surface contorsionniste peut également apprendre à recréer des formes et des motifs par elle-même. En ajustant lentement les tensions appliquées, un algorithme d'apprentissage prend en compte les commentaires d'imagerie 3D et détermine les effets des différentes entrées sur la forme de la métasurface.

Dans l'article, une paume humaine tachetée de 16 points noirs se déplace lentement sous un appareil photo, et la surface reflète parfaitement les mouvements.

"Le contrôle n'a rien à savoir sur la physique des matériaux, il suffit de faire de petits pas et de regarder pour voir s'il se rapproche de la cible ou non", a déclaré Ni. "Il faut actuellement environ deux minutes pour obtenir une nouvelle forme, mais nous espérons éventuellement améliorer le système de rétroaction et l'algorithme d'apprentissage au point qu'il est presque en temps réel."

Parce que la surface apprend d'elle-même à se déplacer par essais et erreurs, elle peut également s'adapter aux dommages, aux contraintes physiques inattendues ou aux changements environnementaux. Dans une expérience, il apprend rapidement à imiter un monticule bombé malgré la coupure d'une de ses poutres. Dans un autre, il parvient à imiter une forme similaire malgré qu'un poids soit attaché à l'un des nœuds de la grille.

Il existe de nombreuses opportunités immédiates pour étendre l'échelle et la configuration de la surface molle. Par exemple, un tableau de surfaces peut mettre à l'échelle la taille jusqu'à celle d'un écran tactile. Ou des techniques de fabrication avec une plus grande précision peuvent réduire la taille à un millimètre, ce qui la rend plus adaptée aux applications biomédicales.

À l'avenir, Ni souhaite créer des métasurfaces robotiques avec des fonctions de détection de forme intégrées pour imiter en temps réel la forme de surfaces complexes et dynamiques dans la nature, telles que les ondulations de l'eau, les nageoires de poisson ou le visage humain. Le laboratoire peut également envisager d'intégrer davantage de composants dans le prototype, tels que des sources d'alimentation embarquées, des capteurs, des ressources de calcul ou des capacités de communication sans fil.

" Parallèlement à la poursuite de la création de matériaux programmables et robotiques, nous envisageons que les futurs matériaux pourront se modifier pour remplir des fonctions de manière dynamique et interactive ", a déclaré Ni. "Ces matériaux peuvent détecter et percevoir les exigences ou les informations des utilisateurs, et se transformer et s'adapter en fonction des besoins en temps réel de leurs performances spécifiques, tout comme les microbots de Big Hero 6. La surface molle peut trouver des applications en tant que robot téléopéré, affichage 3D dynamique, camouflage, exosquelette ou autres surfaces intelligentes et fonctionnelles qui peuvent fonctionner dans des environnements difficiles et imprévisibles." + Explorer plus loin

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