Une étude publiée dans Communications de la nature présente un moyen de créer des structures déployables qui se transforment des états pliés compacts en configurations expansives avec des surfaces parfaitement lisses.
Les systèmes d'ingénierie qui utilisent des mécanismes de pliage inspirés de l'origami sont devenus un point focal dans le développement de conceptions compactes et fonctionnelles pour les applications aérospatiales, d'urgence et médicales.
L'application de l'origami aux scénarios pratiques devient très complexe et difficile lorsque des matériaux épais sont nécessaires pour assurer la précision du mouvement et la robustesse structurelle. Lors du pliage des matériaux épais, l'accumulation d'épaisseur de matériau provoque une interférence structurelle, ce qui rend difficile le pliage ou le déploiement.
Cependant, les conceptions d'origami à panneaux épais conventionnels souffrent d'une faille critique. Aux plis de la vallée, la surface est perturbée par des rainures et des lacunes, ce qui empêche son utilisation dans des scénarios qui exigent une surface continue et ininterrompue.
La recherche, dirigée par Rui Peng de l'Université nationale de Singapour et Gregory S. Chirikjian, de l'Université du Delaware, relève ce défi de longue date.
Issues.fr a parlé au co-auteur du professeur Chirikjian de l'œuvre.
« Les méthodes existantes introduisent souvent des complexités structurelles ou ne garantissent pas les surfaces transparentes, ce qui limite considérablement leur applicabilité pratique », explique le professeur Chirikjian. « Notre motivation est d'élargir la portée de l'application des techniques d'origami épaisses en s'attaquant à ces limitations. »
Éliminer sans ajout
Les chercheurs ont développé une méthode innovante qui semble défier la logique d'ingénierie conventionnelle. Au lieu d'ajouter des éléments, ils éliminent entièrement des panneaux spécifiques.
Une petite région de la structure globale se compose de trois panneaux reliés par deux plis de la vallée ou des plis concaves. Les chercheurs ont abordé l'écart dans la structure déployée en supprimant le panneau central et en étendant les panneaux de chaque côté.
L'approche fonctionne parce que la structure en origami est intrinsèquement surcrasée. Les chercheurs obtiennent une conception plus simple en supprimant certains panneaux, tout en préservant la fonctionnalité de la structure.
Le succès réside dans la satisfaction des contraintes géométriques spécifiques, qui ont deux étapes clés pour assurer la compatibilité du mouvement.
« Premièrement, la structure est basée sur un tube d'origami rigide qui doit satisfaire certaines conditions géométriques symétriques. Deuxièmement, après avoir enlevé sélectivement certains panneaux et étendant leurs adjacents, la longueur d'extension doit répondre à une contrainte géométrique spécifique liée à l'épaisseur du panneau », a déclaré le professeur Chirikjian.
L'utilisation d'une approche mathématique stricte garantit que les structures continuent de se plier comme prévu, même si les lacunes de surface sont éliminées.
Polyvalence et évolutivité
Les chercheurs ont prouvé la polyvalence de leur stratégie de conception en l'appliquant pour construire des structures déployables avec des géométries variées. Cela indique que les structures conviennent à une variété d'applications sur plusieurs échelles.
Pour les applications architecturales à grande échelle, ces structures pourraient permettre des dômes de stade déployables, des systèmes de toiture étanche et des télescopes spatiaux.
Au niveau des consommateurs, il peut être utilisé pour les composants de la voiture convertibles. Aux échelles les plus petites, ces structures pourraient être précieuses dans les systèmes robotiques doux conçus pour les applications chirurgicales.
Comme l'a expliqué le professeur Chirikjian, « nous avons proposé une méthodologie générale pour les structures déployables qui ne se limite à aucune application spécifique. Cette approche est très polyvalente et peut être adaptée à un large éventail de cas d'utilisation. »
Les chercheurs ont également développé des méthodes pour minimiser le nombre de panneaux supérieurs (jaunes), simplifiant la fabrication tout en maintenant les fonctionnalités. Cela offre aux ingénieurs la flexibilité pour personnaliser les structures en fonction des exigences.
En avant
En fabriquant des prototypes imprimés en 3D, les chercheurs ont vérifié que leurs conceptions se replient efficacement et se développent dans des surfaces transparentes.
Les surfaces jaunes sur le dessus sont complètement transparentes à l'état déployé, tandis que les panneaux bleus ci-dessous agissent comme une structure de support.
« Ces structures n'ont pas d'exigences matérielles strictes, permettant un large éventail de choix de matériaux. Cependant, les techniques de fabrication et d'assemblage jouent un rôle essentiel dans la détermination des performances structurelles, en particulier en raison du grand nombre de joints interconnectés », a expliqué le professeur Chirikjian.
La recherche représente une étape d'ingénierie cruciale dans la création de surfaces lisses et ininterrompues qui offrent aux ingénieurs une solution pratique pour une large gamme d'applications.
