Ingénierie inspirée de l'origami : Le pliage intelligent au service de l'innovation

Cet article explore les développements récents dans le domaine interdisciplinaire de l'ingénierie inspirée de l'origami. Il aborde les nouveaux matériaux et les nouvelles méthodes de fabrication qui permettent l'auto-pliage en fonction de la taille. Des applications telles que des pièces compactes déployables de vaisseaux spatiaux, des robots modulaires souples et des pièces pliables sont présentées. dispositifs médicaux sont également examinés. Les avancées en matière de conception informatique optimisant les mouvements de pliage complexes par le biais de la simulation sont discutées.

Ingénierie inspirée de l'origami : Plier le métal pour lui donner des formes impossibles

L'origami, l'art japonais ancestral du pliage du papier, a inspiré les ingénieurs à la recherche de nouvelles méthodes de conception de pliages compacts dans diverses disciplines. En s'inspirant de la complexité multifonctionnelle de l'origami, réalisée dans des dimensions minimales, les chercheurs développent des systèmes de matériaux auto-assemblés et des techniques de conception automatisées. De nouvelles applications apparaissent chaque jour, qui exploitent la capacité de transformation inhérente aux architectures d'origami. Cet article examine les dernières avancées en matière d'ingénierie inspirée de l'origami, depuis les matériaux intelligents permettant l'auto-pliage à toutes les échelles de taille jusqu'aux outils informatiques optimisant les mouvements complexes par la simulation. Usinage de pointe Des applications telles que les composants d'engins spatiaux déployables, les robots modulaires souples et les endoprothèses médicales auto-pliantes sont également mises en évidence.

des méthodes de fabrication inspirées de l'origami :

Les alliages à mémoire de forme ont été utiles pour fabriquer des structures auto-pliantes car ils peuvent reprendre leur forme initiale lorsqu'ils sont chauffés. Les alliages de nickel et de titane, comme le Nitinol, sont particulièrement efficaces à cet égard, car ils changent de forme de manière réversible en fonction des variations de température. Cela permet des mouvements de pliage très précis. Bien qu'utile, l'utilisation de ces alliages pour des structures de grande taille peut s'avérer difficile et nécessite l'optimisation de leur conception et des propriétés des matériaux.

D'autres méthodes de fabrication s'inspirent de l'origami, l'art japonais du pliage du papier. En soumettant des films minces à des contraintes internes, des structures complexes à méso-échelle (de taille moyenne) peuvent s'auto-assembler en volutes, tubes, polygones et autres formes contrôlables simplement en retirant des couches sacrificielles. Ce processus de libération des contraintes permet aux matériaux de se plier eux-mêmes en des géométries qui seraient difficiles à obtenir avec des méthodes normales. les techniques de fabrication des métaux. En comprenant comment les contraintes résiduelles provoquent l'auto-enroulement, les ingénieurs peuvent concevoir des microstructures auto-pliantes sans équipement complexe ni actionnement précis. Cela ouvre de nouvelles possibilités d'auto-assemblage à différentes échelles de longueur.

Techniques d'auto-pliage

Les forces capillaires des gouttelettes d'eau peuvent être utilisées pour plier des structures techniques basées sur des conceptions techniques inspirées de l'origami. Lorsqu'une gouttelette se forme sur le matériau, elle provoque des déformations et des mouvements de pliage précis en fonction de la conception.

Certains matériaux actifs sont également utiles pour l'auto-pliage. Les hydrogels et les polymères à mémoire de forme peuvent générer des rétrécissements et des étirements inégaux au sein d'un substrat plat, l'amenant ainsi à se plier dans la forme 3D souhaitée. Les élastomères à cristaux liquides peuvent faire quelque chose de similaire en utilisant des tensions.

Le pliage activé par la chaleur tire parti des polymères qui changent de dimension en fonction de la température. Certains se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent lorsqu'ils sont refroidis, ce qui permet le pliage par des cycles de chauffage et de refroidissement contrôlés. D'autres fonctionnent à l'inverse en se gonflant lorsqu'ils sont froids et en se rétractant lorsqu'ils sont chauds.

Toutes ces techniques exploitent les propriétés intrinsèques des matériaux telles que finition de surfaceLes ingénieurs peuvent comprendre comment les différents matériaux se déforment et changent de forme. En comprenant comment les différents matériaux se déforment et changent de forme, les ingénieurs peuvent concevoir des structures qui s'auto-assemblent grâce à des déclencheurs environnementaux simples tels que l'eau, la chaleur ou les conditions ambiantes.

Structures auto-pliantes développées par des chercheurs :

Ionov a créé des hydrogels à base d'alcool polyvinylique et de chitosane qui se plient d'eux-mêmes pour prendre des formes microscopiques lorsque le solvant s'évapore. Le modelage de "charnières de verrouillage" a permis de plier des films polymères extrêmement minces, d'une épaisseur de 100 nm seulement, en polygones complexes pour l'administration de médicaments.

Des chercheurs du MIT ont fabriqué des robots d'ingénierie inspirés de l'origami et indépendants de toute source d'énergie externe en utilisant des élastomères diélectriques sensibles à la chaleur. Le chauffage de deux couches de polymère et de tissu conducteur induit globalement des mouvements de pliage précis.

Feinberg a mis au point des "films minces musculaires" qui récupèrent l'énergie des mouvements de pliage induits par la chaleur pour alimenter de petits appareils et des robots. Le chauffage d'un empilement de polymères en couches au-dessus du point de transition vitreuse a provoqué des contractions qui ont permis la locomotion.

Ces études démontrent la capacité de concevoir des structures auto-formantes à toutes les échelles, du micro au macro, en utilisant des techniques telles que les charnières à motifs, les systèmes multicouches, les déclencheurs à solvant et l'actionnement thermique pour obtenir un pliage contrôlé sans avoir recours à une mécanique externe. Ce travail de pionnier jette les bases de robots et de machines autonomes inspirés de l'origami.

Les chercheurs conçoivent des mécanismes très compacts en s'inspirant de l'origami :

Les principes de l'origami permettent d'obtenir une compacité sans précédent en réduisant les composants multifonctionnels à des volumes beaucoup plus petits. Cette compacité est idéale pour les applications où l'espace est limité.

Holland et Straub ont mis au point des concentrateurs solaires et des rétroréflecteurs en origami pour les missions martiennes, qui utilisent la technique du Impression 3D et des miroirs métalliques. Leur technique intègre avec précision l'optique et la pliabilité, ce qui permet un rangement compact lors du lancement. M. Spencer a passé en revue les défis posés par la navigation solaire, qui nécessite un emballage extrêmement dense pour le lancement. Le pliage compact est essentiel.

Hodges a caractérisé les charnières composites déployables pour rendre les optiques des engins spatiaux indépendamment pliables et adaptables à toutes les conditions de stockage, maximisant ainsi la capacité de la charge utile.

En s'inspirant de la complexité multicouche de l'ingénierie inspirée de l'origami, les ingénieurs peuvent concevoir des systèmes optomécaniques, des réseaux solaires, des antennes et d'autres charges utiles qui ne déploient que ce qui est nécessaire une fois qu'ils sont en service. Cette compacité optimisée ouvre de nouvelles perspectives en matière de miniaturisation et d'utilisation de l'espace.

Des robots inspirés d'Origami aux capacités uniques :

Son a examiné des robots en origami souple imprimés en 4D avec des conceptions hiérarchiques à plusieurs échelles qui se plient lorsqu'on les actionne. Ces structures intégratives permettent d'obtenir des capacités multifonctionnelles.

Park a créé un bras modulaire en origami souple qui déploie des facettes de raidissement par flambage contrôlé, permettant une rigidité variable. Il exécute des tâches en utilisant des feuilles d'élastomère diélectrique traitées thermiquement pour former des motifs plissés.

Yan a intégré les principes de l'origami à des robots autonomes capables de détecter, de traiter des informations et de réagir par des mouvements de pliage programmés. Leur méthode a simplifié la conception tout en permettant des comportements complexes grâce à l'actionnement. En fusionnant la transformabilité de l'origami et l'actionnement de matériaux intelligents, ces robots souples démontrent comment des mouvements chorégraphiés et des propriétés mécaniques complexes peuvent émerger de simples substrats plissés. Les hiérarchies modulaires et intégrées permettent d'obtenir des compétences avancées dans de petites structures légères. L'ingénierie inspirée de l'origami ouvre donc la voie à la construction de systèmes autonomes agiles qui se plient eux-mêmes pour prendre les formes nécessaires.

L'avenir de l'ingénierie inspirée de l'origami semble prometteur :

Au fur et à mesure que les matériaux intelligents et les méthodes d'actionnement progressent, les origamis intégreront de plus en plus ces avancées pour maximiser le contrôle, la précision et la fonctionnalité dans des conceptions compactes.

L'impression 3D et la fabrication additive continuent d'améliorer la résolution et les options de matériaux, ce qui permet d'obtenir des systèmes plus complexes basés sur l'origami, avec des plis définis de manière complexe et des capacités multimatériaux. La conception et la simulation informatiques fondées sur des données permettront d'optimiser les mouvements de pliage, les propriétés mécaniques, l'intégration multifonctionnelle et l'architecture à toutes les échelles. Automatisation de la conception, la fabrication métallique dans l'art et les flux de travail d'assemblage accéléreront la recherche en ingénierie inspirée de l'origami et la commercialisation dans diverses industries qui recherchent la transformabilité, la déployabilité et le rangement compact.

Parmi les domaines susceptibles d'en bénéficier figurent les appareils miniaturisés, technologies biomédicalesLes applications de l'origami sont nombreuses : applications spatiales, robotique douce, optique déployable et bien d'autres encore. Les principes de l'origami, qui consistent à atteindre la complexité par la simplicité, continueront à stimuler l'innovation dans l'ingénierie inspirée de l'origami en tant que puissant paradigme bioinspiré. L'augmentation de la multifonctionnalité et du contrôle dans des volumes minimaux reste une perspective séduisante.

Conclusion

En conclusion, cet article a permis d'examiner les approches d'ingénierie inspirées de l'origami pour les structures et les mécanismes d'auto-pliage. Il a exploré la manière dont les alliages à mémoire de forme et les matériaux stimulants comme les hydrogels facilitent l'auto-pliage précis à toutes les échelles de taille, de la micro à la macro. Les méthodes de fabrication émergentes, telles que l'assemblage contrôlé par la contrainte et le pliage thermiquement actionné, ont été résumées. Des applications telles que les composants déployables d'engins spatiaux, les robots souples modulaires et les dispositifs médicaux miniaturisés ont démontré le potentiel de l'origami pour les conceptions compactes et intégrées. La modélisation informatique et les techniques de fabrication numérique font progresser l'optimisation des systèmes basés sur l'origami.

Dans l'ensemble, le pouvoir de transformation des principes de l'origami a été étudié - atteindre la complexité par la simplicité, la multifonctionnalité dans des volumes minimaux. Progrès continus dans les matériaux, fabrication de métaux pour l'automobile promet de maximiser ces avantages dans les disciplines qui recherchent la déplaçabilité, la transformabilité modulaire et l'empaquetage dense. Alors que les matériaux intelligents continuent de se développer et que les outils de conception informatique progressent, les approches d'ingénierie inspirées des origamis stimuleront l'innovation en s'inspirant de la maîtrise de la nature en matière de pliage de formes fonctionnelles.

FAQ

Quelles sont les techniques de pliage automatique les plus courantes ?

Les forces capillaires des gouttelettes, les contraintes résiduelles dans les multicouches et les alliages à mémoire de forme qui se plient sous l'effet de la chaleur sont largement utilisés. Les hydrogels et les élastomères à cristaux liquides peuvent également se plier en générant des tensions non uniformes à l'intérieur d'un substrat.

Comment l'origami peut-il permettre des conceptions compactes ?

Les motifs d'origami permettent d'emballer densément les composants grâce à un pliage hiérarchique. Cela s'avère avantageux pour les appareils miniatures et les charges utiles des engins spatiaux qui recherchent un emballage efficace. Les conceptions complexes intègrent des fonctions multiples dans des volumes minimaux.

Quels sont les types d'applications envisagés ?

L'origami influence les panneaux solaires déployables, les antennes et l'optique. Il inspire les robots souples modulaires et les endoprothèses médicales. L'origami facilite également l'impression en 4D de structures qui changent de forme sous l'effet de stimuli. Les utilisations futures pourraient inclure l'électronique pliable, les bâtiments qui s'auto-assemblent, et bien plus encore.

Comment les outils informatiques facilitent-ils la conception ?

Les simulations et les algorithmes automatisent la génération de modèles d'origami, l'optimisation des mouvements de pliage et l'analyse structurelle. Ils améliorent la personnalisation à toutes les échelles tout en réduisant les itérations de prototypage. Associés à la fabrication avancée, ils permettent de réduire les cycles de conception.