Changement de forme d'un simple clic

En haut : La rigidité et la déformation de la forme peuvent être ajustées localement par la structuration d'une feuille. En bas : L'empilement de feuilles de hauteurs différentes permet la création d'un matériau programmable. © Fraunhofer ICT / Haut : La rigidité et la déformation de la forme peuvent être ajustées localement par la structuration d'une feuille. En bas : L'empilement de feuilles de hauteurs différentes permet la création d'un matériau programmable. © Fraunhofer ICT

Liens : Cellule unitaire composée d'éléments structuraux, au centre : Structure du matériau à partir de nombreuses cellules, à droite : Démonstrateur imprimé en 3D. © Fraunhofer IWM / À gauche : Cellule unitaire faite d'éléments structuraux, au centre : Structure du matériau à partir de nombreuses cellules, à droite : Démonstrateur imprimé en 3D. © Fraunhofer IWM

Matériaux programmables sont de véritables transformateurs de forme. Sur simple commande, ils modifient de manière contrôlée et réversible leurs propriétés et s'adaptent automatiquement à de nouvelles conditions. Les domaines d'application incluent par exemple le confort d'assise ou les matelas qui préviennent les escarres. La surface de contact se déforme de façon à ce que la zone de contact soit grande, ce qui réduit la pression exercée sur les parties du corps. Des chercheurs du Cluster d'excellence Fraunhofer Programmable Materials CPM développent de tels matériaux programmables et les amènent à maturité commerciale en collaboration avec des partenaires industriels. L'objectif est notamment de réduire la consommation de ressources.

De nombreuses personnes dans le monde sont concernées par l'alitement – que ce soit en raison de maladie, d'accident ou de vieillesse. Comme elles ne peuvent souvent pas se déplacer ou se tourner seules, cela peut entraîner le développement d'escarres très douloureuses. Avec des matériaux dont la forme et les propriétés mécaniques peuvent être programmées à chaque endroit, l'apparition d'escarres devrait être évitée à l'avenir. Par exemple, la dureté et la rigidité des matelas fabriqués à partir de matériaux programmables pourraient être réglées à tout moment par simple commande. De plus, la surface se déforme automatiquement de manière à répartir une pression élevée sur une zone plus grande. Le lit devient automatiquement plus souple et élastique à l'endroit où il exerce une pression. En outre, le personnel soignant peut ajuster de manière ciblée une position ergonomique adaptée au patient.

Matériau plus microstructure

Les chercheurs du Fraunhofer CPM, qui est structuré autour de six instituts principaux et a pour objectif de concevoir et produire des matériaux programmables, développent des matériaux pour des applications nécessitant une modification ciblée de la rigidité ou de la forme. Mais comment peut-on programmer des matériaux ? « Nous disposons essentiellement de deux leviers : le matériau de base – dans le cas des matelas, des plastiques thermoplastiques, pour d’autres applications, des alliages métalliques, y compris des alliages à mémoire de forme – et surtout la microstructure », explique le Dr Heiko Andrà, porte-parole du focus thématique à l’Institut Fraunhofer pour la mathématique en technologie et économie ITWM, l’un des instituts principaux du Fraunhofer CPM. « La microstructure des métamatériaux, appelée aussi métamatériaux, est composée de cellules individuelles qui, à leur tour, sont constituées d’éléments structuraux tels que de petites poutres et de fines coques. » Alors que la taille des cellules et de leurs éléments structuraux varie de manière aléatoire dans des matériaux cellulaires classiques comme les mousses, elle est précisément définie – c’est-à-dire programmée – dans les matériaux programmables.

Cette programmation se fait, par exemple, de manière à ce qu’une pression à une position spécifique entraîne des modifications de forme souhaitées à d’autres endroits du matelas, afin d’agrandir la surface de contact et de soutenir de manière optimale les zones du corps.

Les matériaux peuvent également réagir à la chaleur ou à l’humidité

La forme que doit prendre le matériau et les stimuli auxquels il doit répondre – contrainte mécanique, chaleur, humidité ou encore un champ électrique ou magnétique – peuvent également être déterminés par le choix du matériau et de sa microstructure. « Les matériaux programmables permettent d’adapter les objets à chaque application ou personne, ce qui permet de les utiliser de manière plus multifonctionnelle qu’auparavant. Ils n’ont donc pas besoin d’être remplacés aussi souvent. Cela est particulièrement intéressant dans une optique de réduction des ressources », explique Franziska Wenz, vice-porte-parole du focus thématique à l’Institut Fraunhofer pour la mécanique des matériaux IWM, également l’un des instituts principaux du Fraunhofer CPM. De plus, une valeur ajoutée peut être créée en adaptant les objets aux besoins individuels des utilisateurs.

Le chemin vers l’application

Un seul matériau peut remplacer des systèmes entiers de capteurs, de régulateurs et d’actionneurs. L’objectif du Fraunhofer CPM est, par l’intégration des fonctions dans le matériau, de réduire la complexité des systèmes et la consommation de ressources. « Lors du développement des matériaux programmables, nous gardons toujours à l’esprit le produit industriel, en prenant en compte notamment la fabrication en série et la fatigue du matériau », indique Wenz. Des premiers projets pilotes concrets sont également en cours avec des partenaires industriels. L’équipe de chercheurs prévoit que, dans un premier temps, les matériaux programmables remplaceront certains composants dans des systèmes existants ou seront utilisés dans des applications spécifiques – par exemple dans les matelas médicaux, les sièges, les semelles de chaussures et les vêtements de protection. « Progressivement, la part des matériaux programmables pourrait augmenter », estime Andrà. Car ils peuvent être utilisés partout – aussi bien dans les articles médicaux et sportifs, que dans la robotique souple ou la recherche spatiale.