Avez-vous déjà mélangé de la fécule de maïs et de l’eau pour obtenir un «oobleck?». Lorsque vous serrez le mélange fermement dans votre poing, la balle devient dure. Mais lorsque vous relâchez votre prise, elle dégouline comme un liquide. C'est un exemple courant de «fluide épaississant par cisaillement», un matériau dont la viscosité augmente sous contrainte.
Certains scientifiques pensent que les fluides épaississants par cisaillement pourraient être la prochaine étape importante en matière de prévention des blessures et de réadaptation. Les matériaux à base de ces fluides peuvent aider à prévenir les commotions, les blessures à la nuque et les chevilles tordues; servir d'armure de protection dans les contextes militaires; et créer de nouveaux dispositifs de réadaptation.
Au Laboratoire de recherche de l'armée américaine (ARL) à Aberdeen, dans le Maryland, Eric Wetzel étudie les fluides épaississants par cisaillement depuis 15 ans et détient des brevets sur plusieurs techniques et produits. Au début, il imprégnait du Kevlar avec des fluides épaississants par cisaillement afin de fabriquer une armure plus mince et plus flexible. Maintenant, il a compris comment enfermer les liquides dans une sangle flexible. Tirez doucement sur la sangle et elle se dilate comme un élastique. Tirez-le rapidement, il se raidit et se verrouille. Cette technologie, que Wetzel appelle «attaches RAT» (pour «attaches à taux activé»), pourrait être utile dans un certain nombre de domaines, allant de l'armée à l'athlétisme professionnel en passant par la maison.
«Ce que ces sangles vous permettent de faire, c'est de permettre les mouvements humains à une vitesse régulière, mais quand il se passe quelque chose de vraiment violent, elles entrent en jeu et offrent une résistance», déclare Wetzel.
Au cours des dernières années, Wetzel a collaboré avec la NFL pour mettre au point un système de sangles RAT permettant de maintenir les casques en place et d’éviter les blessures à la tête. Son équipe et lui ont construit une plateforme dans le laboratoire ressemblant aux conditions d’un terrain de jeu de la NFL et ont soumis un mannequin d’essais de collision portant un casque à des simulations répétées de tacle. Lorsque le casque est attaché à son corps, les attaches descendant dans la nuque et le haut du dos, l’accélération maximale de la tête du mannequin a été réduite de 50%. Cela pourrait faire la différence entre une bosse mineure et une commotion cérébrale grave.
Wetzel s'attend à ce que les prototypes de casques attachés soient prêts dans les deux prochains mois. À ce stade, son équipe et lui-même commenceront à tester les utilisateurs. Dans un premier temps, les gens porteront les casques pour signaler leurs sentiments et passeront ensuite à la question réelle. Si les tests réussissent, les premiers utilisateurs seront probablement des athlètes de lycée plutôt que des professionnels.
«Les joueurs de la NFL ne porteront rien qui gêne un peu la vitesse ou l’agilité», déclare Wetzel. "Ils ne seront pas des adopteurs précoces."
Orthèse de cheville ressemblant à une chaussette utilisant un fluide d'épaississement par cisaillement (GoXStudio) Les vêtements et bretelles contenant un fluide épaississant par cisaillement peuvent également protéger d'autres parties du corps, telles que la cheville ou le genou. Ceci est particulièrement important pour les soldats.
«Si vous examinez les principales causes de perte de temps pour les soldats, ce n'est généralement pas qu'ils se sont fait tirer dessus. La chose la plus commune est en fait que quelqu'un s'est tordu le genou, a jeté le dos, s'est blessé au cou », explique Wetzel. "Ce n'est pas surprenant, car ils portent 100 livres sur le dos, courent sur un terrain accidenté, parfois la nuit."
Il y a environ cinq ans, Wetzel a rencontré des chercheurs de la DARPA (Agence pour les projets de recherche avancée pour la défense), intéressés par les technologies permettant de réduire ce type de lésions musculo-squelettiques. Les parachutistes courent un risque particulièrement élevé de se blesser à la cheville, car ils heurtent le sol à grande vitesse. L’équipe DARPA travaillait sur une orthèse de cheville en coquille rigide pour résister à l’impact. Cela a fonctionné, mais les parachutistes ne pouvaient pas y courir.
Wetzel a donc développé un prototype de corset utilisant un fluide d’épaississement par cisaillement enrobé dans du tissu. C'était la technologie originale du bracelet RAT. À présent, l'un des chercheurs de la DARPA que Wetzel a rencontré, le lieutenant-colonel Joe Hitt, a quitté l'armée et a créé une société de fabrication de bretelles inspirées du travail de Wetzel.
Le ralentissement du temps de réaction dû à la fatigue ou à la surprise est l’une des principales causes des entorses de la cheville.
«Votre cheville commence à tourner et vous ne vous en rendez pas compte assez tôt», dit Wetzel. "Une attelle de cheville doit vraiment ralentir cette rotation pour donner à votre cerveau le temps de se rattraper."
Une attelle de cheville à base de fluide épaississant par cisaillement peut se déplacer avec le corps comme une chaussette en néoprène. Mais lorsque la cheville commence à tourner violemment, le liquide se raidit.
Au Tennessee, Russ Hubbard, propriétaire d’une entreprise et ancien combattant de l’armée, transforme les sangles RAT de Wetzel en dispositifs de rééducation physique. De longues élastiques sont couramment utilisés pour les étirements et la résistance en thérapie physique. Hubbard fabrique des bandes remplies de fluide épaississant par cisaillement. Plus vous les tirez, plus ils se resserrent. Et quand vous le lâchez, il n'y a pas de rebond. Cela signifie qu'il est prudent pour les patients de tirer les bagues aussi fort que possible sans craindre de se faire frapper au visage s'ils perdent une extrémité.
Fabriquer des attaches pour les orchestres de rééducation (Jhi Scott, photographe ARL) «Grâce à cette technologie, vous avez toujours la possibilité d’exploiter votre potentiel maximum à ce moment précis», déclare Hubbard. "Vous ne limitez pas ce que le patient est capable de faire et, espérons-le, cela se traduira par un temps de récupération plus rapide."
Hubbard travaille avec des chercheurs de l'Université du Montana sur une étude des bandes. S'il réussit, il espère les avoir sur le marché l'année prochaine.
Wetzel imagine que sa technologie d'attache est utilisée sur la route comme une sorte de mi-chemin entre un vêtement et un exosquelette. Les vêtements faits de sangles remplies de liquide peuvent supporter diverses parties du corps, restant souples lorsque le porteur est immobile ou se déplaçant lentement, et devenant fermes et soutenant des mouvements brusques, tels que l’effondrement d’un genou.
Eric Brown, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à Yale, s'intéresse vivement aux fluides épaississants par cisaillement.
Selon M. Brown, les scientifiques étudient les fluides épaississants par cisaillement depuis plus de 80 ans, mais ils commencent seulement vraiment à comprendre comment et pourquoi ils fonctionnent comme ils le font.
"Nous ne faisons que mélanger de l'eau et de la fécule de maïs - elles semblent être des choses simples en elles-mêmes", a déclaré Brown. "L'idée que nous ne comprenons pas beaucoup comment cela fonctionne est parfois dérangeante pour les gens."
La recherche sur la protection contre les impacts utilisant des fluides épaississants de cisaillement est "vraiment prometteuse", a déclaré Brown. Il pense que nous verrons probablement un certain nombre de produits, tels que des casques de vélo renforcés avec un fluide épaississant par cisaillement, sur le marché dans les années à venir. Le D30, un fluide d’épaississement par cisaillement constitué de polymères en suspension dans un lubrifiant liquide, est déjà utilisé dans des articles allant du matériel de surf des neiges aux étuis de téléphones portables.
Pour ceux d'entre nous désireux d'explorer la magie du fluide d'épaississement par cisaillement à la maison, soyez averti: si vous envisagez de remplir une piscine pour enfants avec un oobleck pour "marcher sur l'eau" comme les YouTubers, c'est plus difficile qu'il n'y paraît. Brown le sait - il l'a fait plusieurs fois, juste pour s'amuser.
"Le plus difficile, c'est de mélanger les choses", dit-il. "Nous avons dû louer une bétonnière de Home Depot."
