Les chercheurs ont créé une « lanterne chinoise » en polymère capable de prendre plus d’une douzaine de formes courbes tridimensionnelles en comprimant ou en tordant la structure d’origine. Ce comportement de changement de forme rapide peut être contrôlé à distance à l’aide d’un champ magnétique, permettant à la structure d’être utilisée pour diverses applications.
L’objet de base de la lanterne est fabriqué en découpant une feuille de polymère en forme de parallélogramme en forme de diamant, puis en découpant une rangée de lignes parallèles au centre de chaque feuille. Cela crée une rangée de rubans identiques reliés par une solide bande de matériau en haut et en bas de la feuille. En reliant les extrémités gauche et droite des bandes solides en haut et en bas, la feuille de polymère forme une forme tridimensionnelle ressemblant à une lanterne chinoise à peu près sphérique.
« Cette forme de base est, en elle-même, bistable », explique Jie Yin, auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur de génie mécanique et aérospatial à la North Carolina State University. « En d’autres termes, il a deux formes stables. Il est stable dans sa forme de lanterne, bien sûr. Mais si vous comprimez la structure, en poussant vers le bas depuis le haut, elle commencera lentement à se déformer jusqu’à atteindre un point critique, auquel cas elle prendra une deuxième forme stable qui ressemble à une toupie. Dans la forme de toupie, la structure a stocké toute l’énergie que vous avez utilisée pour la comprimer. Ainsi, une fois que vous commencerez à tirer sur la structure, vous atteindrez une forme stable. point où toute cette énergie est libérée en même temps, la faisant reprendre très rapidement sa forme de lanterne.
« Nous avons découvert que nous pouvions créer de nombreuses formes supplémentaires en appliquant une torsion à la forme, en pliant les bandes solides situées en haut ou en bas de la lanterne vers l’intérieur ou l’extérieur, ou toute combinaison de ces éléments », explique Yaoye Hong, premier auteur de l’article et ancien doctorant. étudiant à NC State qui est maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Pennsylvanie. « Chacune de ces variations est également multistable. Certaines peuvent alterner entre deux états stables. L’une d’elles a quatre états stables, selon que vous comprimez la structure, la tordez ou comprimez et tordez la structure simultanément. «
En attachant un mince film magnétique à la bande solide au bas de la structure, les chercheurs ont pu comprimer ou tordre les structures à distance, à l’aide d’un champ magnétique. Ils ont ensuite démontré plusieurs applications utilisant l’accrochage entre deux formes stables. Ces applications comprenaient une pince non invasive pour saisir les poissons ; un filtre qui s’ouvrait et se fermait pour contrôler le débit d’eau ; et une forme compacte qui s’est rapidement développée en une forme haute pour ouvrir un tube effondré. La vidéo du travail peut être trouvée sur https://youtu.be/l78vqooIXuk?si=Q0d6DSMN-7HaHXfa.
Les chercheurs ont également développé un modèle mathématique qui capture la manière dont différents angles de la structure contrôlent à la fois la forme de chaque variation et la quantité d’énergie stockée dans chaque état stable.
« Ce modèle nous permet de programmer la forme que nous voulons créer, sa stabilité et sa puissance lorsque l’énergie potentielle stockée peut se transformer en énergie cinétique », explique Hong. « Et tous ces éléments sont essentiels à la création de formes capables de réaliser les applications souhaitées. »
« À l’avenir, ces unités de lanterne pourront être assemblées dans des architectures 2D et 3D pour de larges applications dans les métamatériaux mécaniques et la robotique de transformation de forme », explique Yin. « Nous allons explorer cela. »
L’article, « Morphogenèse de capture reprogrammable dans des méta-unités autoportantes de grappes de rubans via l’énergie élastique stockée », sera publié le 10 octobre dans la revue Matériaux naturels. L’article a été co-écrit par Caizhi Zhou et Haitao Qing, tous deux titulaires d’un doctorat. étudiants de NC State; et par Yinding Chi, ancien doctorant. étudiant à NC State qui est maintenant chercheur postdoctoral à Penn.
Ce travail a été réalisé avec le soutien de la National Science Foundation sous les subventions 2005374, 2369274 et 2445551.
Foire aux questions
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