Structures cellulaires à changement de forme

Cellular structures for shape morphing

• Auteur / Autrice : Maïka Saint-Jean
• Direction : Etienne Reyssat, José Bico, Benoît Roman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....) - Physique et mécanique des milieux hétérogenes (UMR 7636)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Matteo Ciccotti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Reyssat, José Bico, Benoît Roman, Dominic Vella, Catherine Quilliet, Sébastien Neukirch, Sophie Ramananarivo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dominic Vella, Catherine Quilliet

Mots clés

Mots clés libres

Elasticité

Géométrie

Matériaux programmables

Changement de forme

Elasticity

Geometry

Morphable materials

Shape changing

Résumé

Des matériaux qui seraient capables de changer de forme par eux-mêmes peuvent trouver des applications dans de nombreux domaines technologiques. Par exemple, en ``soft robotics’’, où changer de forme de manière continue permet d’attraper des objets fragiles, de se faufiler dans des espaces difficiles d’accès ou d'assister des opérations chirurgicales. Mais le passage d’une surface plane à une forme en trois dimensions ne peut se faire qu'à des conditions géométriques bien précises : il n’est pas possible de changer la courbure de Gauss d’une surface sans modifier les distances dans son plan. Il est ainsi possible d'utiliser cette propriété pour changer de forme en variant localement la direction et/ou l’intensité de déformations spontanées. Dans ce travail de thèse, nous avons développé des solutions simples pour créer des objets plans capables de changer de forme, en utilisant des matériaux actifs capables de se déformer en réponse à un stimulus), et en contraignant leur déformation par couplage avec des structures déformables obtenues par des méthodes de prototypage rapide (impression 3D, découpeuse laser…). Nous avons pour cela utilisé des structures cellulaires (contenant un motif qui se répète) dans différentes configurations. Dans un premier temps, un mélange élastomère/éthanol a été utilisé comme matrice active qui gonfle quand elle est chauffée. De fins réseaux cellulaires inextensibles ont été emprisonnés dans cette matrice pour contraindre son gonflement dans certaines directions de l’espace et induire un changement de forme. Dans une deuxième partie, au lieu d’utiliser une matrice extérieure comme moteur de la déformation (croissance/rétrécissement), des réseaux plus épais (1cm) sont directement actionnés. Pour changer de forme, les cellules de ces structures sont fermées, soit en y faisant le vide, soit en utilisant des fils tendus à travers la structure. Enfin, dans un dernier temps, des réseaux cellulaires fins sont actionnés par des films de savon, la tension de surface permettant la fermeture des cellules. Dans les trois cas, la présence de réseaux cellulaires permet de programmer localement l'intensité ou la direction de la déformation des structures planes pour en faire des formes 3D. Des formes simples comme des cônes ou des anti-cônes ont été obtenues avec les trois techniques. De plus, dans le cas des structures plus épaisses actionnées par des fils, il est aussi possible d’obtenir des formes plus complexes et de résoudre le problème inverse dans certains cas (programmer la forme finale dans le design initial).

Materials that are able to change shape by themselves find applications in many fields. For example, in soft robotics, where changing shape in a continuous way allows to catch fragile objects, to sneak into narrow spaces or to assist surgical operations. But the change from a flat surface to a three-dimensional shape can only be done under specific geometrical conditions: it is not possible to change the Gaussian curvature of a surface without changing the distances in its plane. It is thus possible to use this property to change shape by locally varying the direction and/or intensity of spontaneous deformations. In this thesis, we have developed simple solutions to create planar objects capable of shape changing, by using simple active materials (deforming in response to a stimulus), and by constraining their deformation by coupling them to deformable structures obtained by rapid prototyping methods (3D printing, laser cutter...). We have used cellular structures (containing a repeating pattern) in different configurations. In a first part, an elastomer/ethanol mixture has been used as an active matrix which swells when heated. Thin inextensible cellular networks trapped in this matrix constrain its swelling in certain spatial directions and allow for shape change. In a second part, instead of using an external matrix as a driver for deformation (growth/shrinkage), thicker networks (1cm) were directly actuated. To change shape, cells of these structures were closed, either by using a vacuum pump or by using wires stretched across the structure. Finally, in a last part, thin cellular networks were actuated by soap films, the surface tension allowing the closure of the cells. In all three cases, the presence of cellular networks allowed to locally program the density or direction of the deformation of the planar structures into 3D shapes. Simple shapes such as cones or anti-cones were obtained with the three techniques. Moreover, in the case of thicker structures driven by wires, it is also possible to obtain more complex shapes and to solve the inverse problem in some cases (programming the final shape in the initial design).