Approches de mise œuvre de la matière programmable : Développement de dispositifs programmables réutilisables et réinitialisables

New approaches to programmable matter : development of reusable and resettable programmable devices.

• Auteur / Autrice : Ahmed Amine Chafik
• Direction : Jaafar Gaber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 31/10/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Julien Bourgeois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jaafar Gaber, Pascal Lorenz, Souad Tayane, Mohamed Ennaji
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Lorenz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux intelligents

Mots clés libres

Matière programmable

Systèmes et matériaux intelligents

Interface à changement de forme

Alliage à mémoire de forme

Prototypage 4D

Actionneurs intelligents

Programmable matter

Smart Materials & Systems

Shape-Shifting interfaces

Shape memory alloy

4D prototyping

Smart actuators

Résumé

Avec l’émergence de la technologie numérique, la matière conventionnelle limite le rythme du développement technologique, manquant d’intelligence et de polyvalence. Cela ouvre la possibilité de développer une matière programmable capable d’intégrer l’intelligence, le mouvement et la communication pour modifier de manière autonome ses caractéristiques physiques tout en réagissant à des stimuli. Plus précisément, la matière programmable peut être assimilée à une pâte à modeler intelligente, dont le substrat intègre des comportements contrôlables qui apparaissent lorsqu’ils sont soumis à un stimulus (par exemple, un changement de couleur ou de forme). Un tel concept peut être perçu sous différents paradigmes qui impliquent l’utilisation de robots ou d’actionneurs. Cette technologie servira de passerelle entre l’environnement physique et numérique, de sorte qu’il devient possible d’effectuer un prototypage réversible et dynamique, ou de développer des interfaces utilisateurs tangibles. Dans cette thèse, nous démontrons qu’il existe un autre paradigme pour concevoir la matière programmable, en utilisant une matière physique qui intègre des capacités sensorielles, de mouvement et de traitement. Nous affirmons qu’un tel paradigme peut apporter de nouvelles approches pour représenter la matière programmable, en utilisant les matériaux, l’architecture et l’organisation adéquats. Nous proposons des approches pour utiliser des matériaux intelligents comme substrat pour la matière programmable au moyen de ce nouveau paradigme. Plus précisément, nous élaborons l’alliage à mémoire de forme dans des formes extensibles et déployables, à intégrer dans le développement de dispositifs de changement de forme. Dans ce rapport, Nous décrivons ces dispositifs, avec l'analyse de leurs performances et l'évaluation de leur capacité à l’reproduire des formes multiples.

Matter is the ultimate substance that constitutes the observable universe. Across the past ages, it has been used in a fundamental way to satisfy the need of humanity. However, with the emergence of numerical technology, conventional matter constrained the pace of the technological development, lacking intelligence and versatility. This calls into questions the possibility of developing a programmable matter that can embed intelligence, motion, and communication to autonomously alter its physical characteristics while reacting to stimulus. Programmable matter can be assimilated to a smart modelling clay, where its substrate embeds controllable behaviors that emerge when being subjected to a stimulus (e.g., change of color, change of shape). Such a concept can be perceived under different paradigms that imply to use robots or actuators. This technology will serve to bridge both digital and physical environment, so it becomes feasible to perform reversible, dynamic prototyping and to develop tangible user interfaces. In this thesis we demonstrate that there exist other paradigms to conceive programmable matter, using physical matter that integrates sensorial, motion, and processing capabilities. We claim that such a paradigm can bring forward novel approaches to represent programmable matter, by using the adequate materials, architecture, and organization. We propose approaches to use smart materials as a substrate for programmable matter by the means of this new challenging paradigm. Specifically, we frame shape memory alloy into expandable and deployable shapes, to be integrated later in the development of shape changing devices. We overview the devices, analyze their performance and then evaluate their capability using multiple shapes.