Les blocs reprogrammables de style Lego imitent la flexibilité de la vie

INITIÉ AU Motion Design

Xiaoyue Ni regarde un poisson robot doté d'une queue reprogrammable nager dans un aquarium. La preuve de démonstration pourrait conduire à des matériaux dotés de propriétés matérielles reprogrammables qui pourraient fonctionner à l’intérieur du corps humain ou de l’électronique. (Image :avec l'aimable autorisation des chercheurs)

Les ingénieurs en mécanique de l'Université Duke ont démontré une méthode de validation de principe pour programmer les propriétés mécaniques dans des blocs de construction solides de type Lego. En contrôlant la solidité de centaines de cellules individuelles selon des modèles spécifiques, cette approche pourrait permettre à la robotique futuriste de modifier leurs propriétés mécaniques et leurs fonctionnalités à la volée.

Dans leurs premiers tests, les chercheurs ont montré comment un faisceau 3D en forme de queue avec diverses configurations peut déplacer un poisson robot dans l'eau le long de différents chemins avec la même activité motrice. L'équipe envisage des versions miniaturisées de la technologie qui pourraient, par exemple, circuler dans les vaisseaux sanguins pour évaluer leur état de santé ou même les reconfigurer pour former un stent adaptatif.

"Nous voulons créer des matériaux vivants", a expliqué Yun Bai, premier auteur de l'article et titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Xiaoyue Ni, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Les imprimantes 3D peuvent créer des matériaux avec des propriétés mécaniques spécifiques, mais il faut répéter l'impression pour les modifier. Nous voulions créer quelque chose comme les muscles humains qui peuvent modifier leur rigidité en temps réel. "

Pour y parvenir, les chercheurs ont rempli des cellules individuelles avec une recette de gallium et de fer. À température ambiante, ce composite métallique peut être soit solide, soit liquide. En partant d'un solide complet, les chercheurs peuvent appliquer de la chaleur avec un courant électrique pour liquéfier n'importe quel motif de cellules, presque comme écrire et stocker des uns et des zéros sur un disque dur.

En deux dimensions, le matériau résultant est essentiellement une feuille mince qui peut être programmée pour modifier avec précision la rigidité et l'amortissement sans altérer sa forme ou sa géométrie. Le matériau a été rigoureusement testé, démontrant une grande flexibilité pour imiter une gamme de matériaux souples disponibles dans le commerce, des plastiques aux caoutchoucs.

Le concept devient cependant encore plus intéressant en trois dimensions. Dans leur démonstration, les chercheurs ont créé des blocs de construction de type Lego qui peuvent être collés et décollés ensemble dans n'importe quelle configuration. Chaque bloc ressemble à un Rubik's cube contenant 27 cellules individuelles, chacune pouvant être liquéfiée grâce à la chaleur localisée provenant d'un signal électrique. "Cela nous donne la flexibilité nécessaire pour créer des structures 3D avec différentes propriétés mécaniques", a déclaré Bai. "Et geler les blocs à zéro degré réinitialise toutes les cellules à leur état solide afin que leur configuration puisse être reprogrammée encore et encore."

Dans l'article, les chercheurs ont collé 10 de ces cubes ensemble dans une colonne droite pour créer une sorte de queue programmable, l'ont attaché à un simple moteur dans un poisson robot et ont testé les capacités de nage de diverses configurations. Le même poisson robot avec différentes dispositions de cellules solides dans la queue présentait des trajectoires de nage très différentes.

À partir de cette plateforme, les chercheurs envisagent d’utiliser différents métaux pour créer différents points de congélation et de fusion qui pourraient permettre à ces matériaux, par exemple, d’être utilisés dans un corps humain. Ils pensent également que l'installation pourrait être miniaturisée pour fonctionner dans des limites minuscules telles que des vaisseaux sanguins humains ou des systèmes électroniques délicats.

"Notre objectif est de construire à terme des systèmes plus grands en utilisant des matériaux composites", a déclaré Ni. "Nous souhaitons créer des matériaux flexibles et programmables pour la robotique, capables de leur permettre d'effectuer une grande variété de tâches dans une grande variété d'environnements."

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