Changer de forme en appuyant sur un bouton
Une seule pièce de matériau peut remplacer des systèmes entiers de capteurs, de régulateurs et d'actionneurs.
Les matériaux programmables sont de véritables métamorphes. Ils peuvent changer leurs caractéristiques de manière contrôlée et réversible en appuyant sur un bouton, s'adaptant de manière indépendante à de nouvelles conditions. Ils peuvent être utilisés, par exemple, pour fabriquer des chaises confortables ou des matelas qui préviennent les escarres. Pour ce faire, le support est formé de manière à ce que la surface de contact soit grande, ce qui réduit la pression sur certaines parties du corps. Ce type de matériau programmable est développé par les chercheurs du Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM, qui prévoient de le mettre sur le marché avec l'aide de partenaires industriels. L'un de leurs objectifs est de réduire l'utilisation des ressources.
À gauche : cellule unitaire composée d'éléments structurels ; au centre : Structure matérielle composée de plusieurs cellules ; à droite : démonstrateur imprimé en 3D.
© Fraunhofer IWM
De nombreuses personnes dans le monde sont alitées, que ce soit en raison d'une maladie, d'un accident ou de la vieillesse. Comme les personnes concernées ne peuvent souvent pas se déplacer ou se retourner seules, elles se retrouvent souvent avec des escarres très douloureuses. À l'avenir, il devrait être possible d'éviter les escarres grâce à des matériaux qui peuvent être programmés pour adapter entièrement leur forme et leurs propriétés mécaniques. Par exemple, le soutien corporel des matelas fabriqués à partir de matériaux programmables peut être ajusté dans n'importe quelle zone par simple pression sur un bouton. En outre, la couche de soutien est formée de manière à ce qu'une forte pression exercée sur un point puisse être répartie sur une plus grande surface. Les zones du lit où la pression est exercée sont automatiquement rendues plus souples et plus élastiques. Le personnel soignant peut également ajuster la position allongée ergonomique afin de l'adapter au mieux à son patient.
Matériaux et microstructuration
Des matériaux destinés à des applications nécessitant des modifications spécifiques de la rigidité ou de la forme sont mis au point par les chercheurs du Fraunhofer CPM, qui est constitué de six instituts principaux ayant pour objectif de concevoir et de produire des matériaux programmables. Alors, comment peut-on programmer les matériaux ? "Essentiellement, il y a deux domaines clés où des ajustements peuvent être faits : le matériau de base - les polymères thermoplastiques dans le cas des matelas et les alliages métalliques pour d'autres applications, y compris les alliages à mémoire de forme - et, plus spécifiquement, la microstructure", explique le Dr Heiko Andrä, porte-parole sur le sujet à l'Institut Fraunhofer de mathématiques industrielles ITWM, l'un des instituts principaux du Fraunhofer CPM. "La microstructure de ces métamatériaux est constituée de cellules unitaires qui se composent d'éléments structurels tels que de petites poutres et de fines coquilles." Alors que la taille de chaque cellule unitaire et de ses éléments structurels dans les matériaux cellulaires classiques, comme les mousses, varie de manière aléatoire, les cellules des matériaux programmables sont également variables - mais peuvent être définies avec précision, c'est-à-dire programmées. Cette programmation peut être effectuée, par exemple, de telle sorte que la pression exercée sur une position particulière entraîne des changements spécifiques dans d'autres régions du matelas, c'est-à-dire qu'elle augmente la taille de la surface de contact et offre un soutien optimal à certaines zones du corps.
Les matériaux peuvent également réagir à la température ou à l'humidité
Le changement de forme que doit présenter le matériau et les stimuli auxquels il réagit - contrainte mécanique, chaleur, humidité ou même champ électrique ou magnétique - peuvent être déterminés par le choix du matériau et sa microstructure. "Les matériaux programmables permettent d'adapter les produits à une application ou à une personne spécifique, de sorte qu'ils sont plus multifonctionnels qu'auparavant. Ils n'ont donc pas besoin d'être remplacés aussi souvent. C'est particulièrement intéressant dans le contexte de l'économie de matériaux et de la durabilité", explique Franziska Wenz, porte-parole adjointe sur le sujet à l'Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux IWM, un autre institut central du Fraunhofer CPM. Cela peut également créer une valeur ajoutée, en adaptant les produits aux besoins individuels des utilisateurs.
Le chemin vers l'application
Une seule pièce de matériau peut remplacer des systèmes entiers de capteurs, de régulateurs et d'actionneurs. L'objectif du Fraunhofer CPM est de réduire la complexité des systèmes en intégrant leurs fonctionnalités dans le matériau et en réduisant la diversité des matériaux. Nous avons toujours les produits industriels en tête lorsque nous développons les matériaux programmables. À ce titre, nous tenons compte, entre autres, des processus de production de masse et de la fatigue des matériaux", explique M. Wenz. Les premiers projets pilotes avec des partenaires industriels sont également déjà en cours. L'équipe de recherche s'attend à ce que, dans un premier temps, les matériaux programmables remplacent les composants des systèmes existants ou soient utilisés dans des applications spéciales telles que les matelas médicaux, les chaises confortables, les semelles de chaussures à amortissement variable et les vêtements de protection. "Progressivement, la proportion de matériaux programmables utilisés augmentera", précise M. Andrä. À terme, ils pourront être utilisés partout - de la médecine et des articles de sport à la robotique douce et même à la recherche spatiale.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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