Une nouvelle technique permettant d'imprimer, de replier et de déployer des structures d'auto-construction pourrait un jour aider les chirurgiens à installer plus facilement des stents artériels ou les astronautes à installer de nouveaux habitats spatiaux légers.
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Les dessins reposent sur un concept architectural appelé «tenségrité», terme inventé par Buckminster Fuller dans les années 1960 (qui a également breveté les premières formes de tenségrité en 1962). Les structures de la tenségrité, ou «intégrité en tension», se maintiennent grâce à des entretoises rigides maintenues en place par des câbles haute tension interconnectés. Le pont Kurilpa à Brisbane, en Australie, et une nouvelle tour d’antenne radio en construction au sommet de Santiago, dans la colline du parc métropolitain du Chili, sont deux exemples typiques de structures de tenségrité.
Bien qu'ils soient très solides, ils sont lourds, car ils sont construits avec des entretoises et des câbles métalliques. Les ingénieurs de Georgia Tech, Glaucio Paulino et Jerry Qi, voulaient appliquer ces mêmes avantages tensionnels aux objets pouvant servir à autre chose que des ponts et des antennes, tels que des habitats spatiaux ou des endoprothèses cardiaques.
Paulino et Qi ont mis au point un procédé permettant de créer des versions pliables, légères et imprimables en 3D de ces modèles, avec des tubes fabriqués en un matériau semblable à une matière plastique appelé polymère à mémoire de forme relié à des tendons élastiques imprimés.
En chauffant les tubes, le matériau de la jambe de force devient programmé pour «se souvenir» de la configuration ouverte. Il peut ensuite être aplati et replié, puis une fois que l'ensemble de la conception a été exposé à la chaleur, l'ensemble de l'emballage se déroule lentement dans sa configuration finale ouverte: aucun moteur n'est impliqué.
Paulino et Qi ont également découvert qu'en programmant différentes parties de leurs conceptions pour qu'elles se déroulent à des températures variables, leurs conceptions pourraient se décompresser par étapes pour éviter que les câbles ne s'emmêlent.
Étant donné que la conception entière peut être réduite à un emballage essentiellement entièrement assemblé, elle prend beaucoup moins de place que les conceptions de tenségrité conventionnelles.
«Si vous comparez les conceptions de tenségrité avec un autre type de structure, elles sont extrêmement légères et très résistantes», déclare Paulino. "La beauté de ce système réside dans le fait qu'il offre un degré de liberté supplémentaire qui permet à la tenségrité de se déformer, de changer de forme, de changer de forme de façon spectaculaire et de supporter tout type de chargement dans n'importe quelle direction."
Les modèles de laboratoire de Paulino et Qi ont la taille d'un jouet de table pour enfant, de quatre à cinq pouces de côté, et ne ressemblent en rien à une pile de bâtons très organisée maintenue par une ligne de pêche tendue. Lorsqu'elles sont complètement dépliées, les jambes de force sont dures et rigides, tandis que les câbles élastiques sont plus souples et plus souples. Les dessins, une fois entièrement assemblés, en donnent, si vous les pressez, la forme se déforme. Mais ils se remettent immédiatement en forme une fois libérés.
L’équipe a utilisé des bains d’eau chaude pour montrer le fonctionnement du processus de déballage à haute température, mais même un outil comme un pistolet thermique ou un sèche-cheveux ferait l'affaire. Cela doit simplement être cohérent - ce qui, au stade actuel de développement, peut être problématique, dit Paulino. Le contrôle de la vibration a également été un défi dans d'autres types de conceptions de tenségrité.
Paulino et Qi ont choisi d'utiliser des conceptions simples pour faciliter les tests en laboratoire, mais Paulino a déclaré qu'il n'y avait aucune limite à ce qui pouvait être fait sur le plan de la conception.
Leur idée est que les structures de tenségrité en polymères peuvent être mises à l’échelle et rendues beaucoup plus complexes, en ce qui concerne les structures spatiales, ou à la taille de quelque chose qui pourrait s’intégrer dans le corps humain. Imaginez un stent qui pourrait être inséré dans une artère, explique Paulino, qui se déploie automatiquement une fois en position. Ou, si les structures liées à l'espace étaient constituées de polymères à mémoire de forme similaires, elles pèseraient également beaucoup moins qu'une structure similaire en métal, permettant des lancements moins coûteux de cadres préassemblés pouvant être utilisés en laboratoire ou dans des locaux d'habitation. espace.
Ce ne sont encore que des concepts, mais il a ajouté que ses collègues médecins l’intéressaient et que la NASA avait déjà exploré la tenségrité en tant qu’approche pour de futures missions spatiales.
Robert Skelton, qui étudie la tenségrité pour les applications océaniques et spatiales depuis des décennies à la Texas A & M University, indique que les travaux de Paulino et Qi offrent un avantage en efficacité par rapport aux autres types de conceptions de tenségrité.
«Un avantage non négligeable du travail de Paulino et de Qi réside dans le peu d’énergie nécessaire pour renforcer les [jambes de force]», écrit Skelton par courrier électronique. Skelton a ajouté qu'un principe similaire est en vigueur lorsque vous retirez un ruban à mesurer en métal: il est précontraint de se courber légèrement lorsqu'il est sorti, mais à plat lorsqu'il est enroulé. Les éléments structurels précontraints constituent une approche importante pour la construction spatiale, comme dans le cas du télescope spatial Hubble, dont les panneaux solaires ont été déployés avec de telles bandes métalliques précontraintes qui sont rigides une fois complètement ouverts.
"L'impact [des structures de tenségrité de la mémoire de forme] sera tout aussi large, avec une grande variété d'applications, sur Terre et dans l'espace", a ajouté Skelton.
Donc, la prochaine chose que Paulino dit que Qi et lui s’attaqueront est de transformer leur concept en échelle. Et comme tout ce dont vous avez besoin est une imprimante 3D et le bon matériau, vous pouvez le faire de n'importe où une fois la technique perfectionnée.
«Cela a pris du temps pour atteindre ce niveau, mais nous estimons que nous avons un bon point de départ pour les prochaines étapes», a déclaré Paulino. «Nous sommes très excités à ce sujet. Certes, nous ne savons pas tout ce qui reste à faire, mais nous sommes convaincus que nous sommes en mesure de progresser sur cette idée. »
