Des chercheurs du MIT et de l’Institut des sciences et technologies d’Autriche ont créé une technique permettant d’inclure de nombreux éléments constitutifs différents de métamatériaux cellulaires dans une représentation graphique unifiée. Ils ont utilisé cette représentation pour créer une interface conviviale qu’un ingénieur peut utiliser pour modéliser rapidement et facilement des métamatériaux, modifier les structures et simuler leurs propriétés. Crédit : Image gracieuseté de Liane Makatura, Bohan Wang, Bolei Deng et Wojciech Matusik
Grâce à une nouvelle interface conviviale, les chercheurs peuvent rapidement concevoir de nombreuses structures de métamatériaux cellulaires possédant des propriétés mécaniques uniques.
Les ingénieurs sont constamment à la recherche de matériaux présentant des combinaisons de propriétés nouvelles et souhaitables. Par exemple, un matériau ultra résistant et léger pourrait être utilisé pour rendre les avions et les voitures plus économes en carburant, ou un matériau poreux et biomécanique pourrait être utile pour les implants osseux.
Cellulaire métamatériaux Des structures artificielles composées d’unités, ou de cellules, qui se répètent selon divers schémas, peuvent aider à atteindre ces objectifs. Mais il est difficile de savoir quelle structure cellulaire conduira aux propriétés recherchées. Même si l’on se concentre sur des structures constituées de blocs de construction plus petits comme des poutres interconnectées ou des plaques minces, il existe un nombre infini d’agencements possibles à considérer. Ainsi, les ingénieurs ne peuvent explorer manuellement qu’une petite fraction de tous les métamatériaux cellulaires hypothétiquement possibles.
Des chercheurs du MIT et de l’Institut des sciences et technologies d’Autriche ont développé une technique informatique qui permet à un utilisateur de concevoir rapidement une cellule de métamatériau à partir de l’un de ces éléments constitutifs plus petits, puis d’évaluer les propriétés du métamatériau résultant.
Leur approche, comme un système de CAO (conception assistée par ordinateur) spécialisé pour les métamatériaux, permet à un ingénieur de modéliser rapidement même des métamatériaux très complexes et d’expérimenter des conceptions dont le développement aurait autrement pris des jours. L’interface conviviale permet également à l’utilisateur d’explorer tout l’espace des formes métamatérielles potentielles, puisque tous les éléments de base sont à sa disposition.
« Nous avons mis au point une représentation qui peut couvrir toutes les différentes formes qui intéressent traditionnellement les ingénieurs. Comme vous pouvez les construire de la même manière, cela signifie que vous pouvez basculer entre elles de manière plus fluide », explique MIT Liane Makatura, étudiante diplômée en génie électrique et en informatique, co-auteur principal d’un article sur cette technique.
Makatura a écrit l’article avec le co-auteur principal Bohan Wang, postdoctorant au MIT ; Yi-Lu Chen, étudiante diplômée à l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA) ; Bolei Deng, postdoctorant au MIT ; Chris Wojtan et Bernd Bickel, professeurs à l’ISTA ; et l’auteur principal Wojciech Matusik, professeur de génie électrique et d’informatique au MIT, qui dirige le groupe de conception et de fabrication informatiques au sein du laboratoire d’informatique et d’intelligence artificielle du MIT. La recherche sera présentée au SIGGRAPH.
Une méthode unifiée
Lorsqu’un scientifique développe un métamatériau cellulaire, il commence généralement par choisir une représentation qui sera utilisée pour décrire ses conceptions potentielles. Ce choix détermine l’ensemble des formes qui seront disponibles pour l’exploration.
Par exemple, elle peut choisir une technique qui représente les métamatériaux à l’aide de nombreux faisceaux interconnectés. Cependant, cela l’empêche d’explorer des métamatériaux basés sur d’autres éléments, comme des plaques minces ou des structures 3D comme des sphères. Ces formes sont données par différentes représentations, mais jusqu’à présent, il n’existe pas de manière unifiée de décrire toutes les formes en une seule méthode.
« En choisissant à l’avance un sous-espace spécifique, vous limitez votre exploration et introduisez un biais basé sur votre intuition. Bien que cela puisse être utile, l’intuition peut être incorrecte et certaines autres formes méritent peut-être également d’être explorées pour votre application particulière », explique Makatura.
Elle et ses collaborateurs ont pris du recul et ont examiné de près différents métamatériaux. Ils ont constaté que les formes qui composent la structure globale pouvaient être facilement représentées par des formes de dimension inférieure : une poutre pouvait être réduite à une ligne ou une fine coque pouvait être compressée en une surface plane.
Ils ont également remarqué que les métamatériaux cellulaires présentent souvent des symétries, de sorte que seule une petite partie de la structure doit être représentée. Le reste peut être construit en faisant pivoter et en reflétant cette pièce initiale.
« En combinant ces deux observations, nous sommes arrivés à l’idée que les métamatériaux cellulaires pourraient être bien représentés sous forme de structure graphique », explique-t-elle.
Avec leur représentation graphique, un utilisateur construit un squelette de métamatériau à l’aide de blocs de construction créés par des sommets et des arêtes. Par exemple, pour créer une structure de poutre, on place un sommet à chaque extrémité de la poutre et on les relie par une ligne.
Ensuite, l’utilisateur utilise une fonction sur cette ligne pour spécifier l’épaisseur de la poutre, qui peut varier de sorte qu’une partie de la poutre soit plus épaisse qu’une autre.
Le processus pour les surfaces est similaire : l’utilisateur marque les caractéristiques les plus importantes avec des sommets, puis choisit un solveur qui déduit le reste de la surface.
Ces solveurs faciles à utiliser permettent même aux utilisateurs de construire rapidement un type de métamatériau très complexe, appelé surface minimale triplement périodique (TPMS). Ces structures sont incroyablement puissantes, mais le processus habituel pour les développer est ardu et sujet à l’échec.
« Avec notre représentation, vous pouvez également commencer à combiner ces formes. Peut-être qu’une cellule unitaire contenant à la fois une structure TPMS et une structure de poutre pourrait vous apporter des propriétés intéressantes. Mais jusqu’à présent, ces combinaisons n’ont pas vraiment été explorées », dit-elle.
À la fin du processus, le système génère l’intégralité de la procédure basée sur un graphique, montrant chaque opération effectuée par l’utilisateur pour atteindre la structure finale : tous les sommets, arêtes, solveurs, transformations et opérations d’épaississement.
Dans l’interface utilisateur, les concepteurs peuvent prévisualiser la structure actuelle à tout moment de la procédure de construction et prédire directement certaines propriétés, telles que sa rigidité. Ensuite, l’utilisateur peut modifier de manière itérative certains paramètres et les évaluer à nouveau jusqu’à ce qu’une conception appropriée soit atteinte.
Un cadre convivial
Les chercheurs ont utilisé leur système pour recréer des structures couvrant de nombreuses classes uniques de métamatériaux. Une fois les squelettes conçus, la génération de chaque structure métamatérielle n’a pris que quelques secondes.
Ils ont également créé des algorithmes d’exploration automatisés, donnant à chacun un ensemble de règles, puis les diffusant dans leur système. Lors d’un test, un algorithme a renvoyé plus de 1 000 structures potentielles à base de fermes en une heure environ.
En outre, les chercheurs ont mené une étude auprès d’utilisateurs auprès de 10 personnes ayant peu d’expérience dans la modélisation de métamatériaux. Les utilisateurs ont réussi à modéliser les six structures qui leur ont été proposées, et la plupart ont convenu que la représentation graphique procédurale rendait le processus plus facile.
« Notre représentation rend toutes sortes de structures plus accessibles aux gens. Nous avons été particulièrement satisfaits de la capacité des utilisateurs à générer des TPMS. Ces structures complexes sont généralement difficiles à générer, même pour des experts. Pourtant, parmi les six structures, l’un des TPMS de notre étude présentait le temps de modélisation moyen le plus bas, ce qui était surprenant et passionnant », dit-elle.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent améliorer leur technique en incorporant des procédures d’épaississement du squelette plus complexes, afin que le système puisse modéliser une plus grande variété de formes. Ils souhaitent également continuer à explorer l’utilisation d’algorithmes de génération automatique.
Et à long terme, ils aimeraient utiliser ce système pour la conception inverse, où l’on spécifierait les propriétés matérielles souhaitées, puis utiliserait un algorithme pour trouver la structure métamatérielle optimale.
Cette recherche est financée, en partie, par une bourse de recherche supérieure de la National Science Foundation, la MIT Morningside Academy Design Fellowship, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), une ERC Consolidator Grant et le projet NewSat.
