Il suffit de tirer sur une ficelle pour déployer ces structures complexes.

Une nouvelle méthode pourrait permettre aux utilisateurs de concevoir des dispositifs médicaux portables, comme une attelle, qui peuvent être rapidement convertis de panneaux plats en un objet 3D sans aucun outil.

Des chercheurs ont créé une chaise à échelle humaine, illustrée ici, qui peut être montée et démontée par une seule personne. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Des chercheurs du MIT ont mis au point une nouvelle méthode de conception de structures 3D qui peuvent être transformées d'une configuration plane à leur forme courbe et complète par simple traction sur une ficelle.

Cette technique pourrait permettre le déploiement rapide d'un hôpital de campagne temporaire sur le lieu d'une catastrophe telle qu'un tsunami dévastateur — une situation où une intervention médicale rapide est essentielle pour sauver des vies.

L'approche des chercheurs consiste à convertir une structure 3D définie par l'utilisateur en une forme plane composée de tuiles interconnectées. L'algorithme utilise une méthode en deux étapes pour trouver le chemin minimisant les frottements d'une corde qui peut être tendue afin d'actionner la structure en douceur.

Le mécanisme d'actionnement est facilement réversible et, si la corde est relâchée, la structure reprend rapidement sa configuration plane. Ceci pourrait permettre de stocker et de transporter des structures 3D complexes de manière plus efficace et à moindre coût.

De plus, les conceptions générées par leur système sont indépendantes de la méthode de fabrication, de sorte que des structures complètes peuvent être produites par impression 3D, fraisage CNC, moulage ou autres techniques.

Cette méthode pourrait permettre la création de dispositifs médicaux transportables, de robots pliables capables de s'aplatir pour accéder à des espaces difficiles d'accès, voire d'habitats spatiaux modulaires pouvant être actionnés par des robots travaillant à la surface de Mars.

« La simplicité de l'ensemble du mécanisme d'actionnement est un véritable atout de notre approche. L'utilisateur n'a qu'à fournir le design souhaité, et notre méthode l'optimise pour qu'il conserve sa forme après une simple traction sur la ficelle, ce qui facilite grandement le déploiement de la structure. J'espère que cette méthode permettra de créer une grande variété de structures déployables », explique Akib Zaman, doctorant en génie électrique et informatique et auteur principal d'un article sur cette nouvelle méthode.

Il est accompagné dans cet article par Jacqueline Aslarus, doctorante au MIT ; Jiaji Li, postdoctorant ; Stefanie Mueller, professeure agrégée et responsable du groupe d'ingénierie de l'interaction homme-machine (IHM) au sein du Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL) ; et Mina Konaković Luković, professeure adjointe et responsable du groupe de conception algorithmique au CSAIL, et auteure principale de l'étude. Ces travaux de recherche ont été présentés lors de la conférence et exposition SIGGRAPH de l'Association for Computing Machinery (ACM) sur l'infographie et les techniques interactives en Asie.

De l'art antique à un algorithme

La création de structures déployables à partir d'éléments plats simplifie le montage sur site et pourrait s'avérer particulièrement utile pour la construction d'abris d'urgence après des catastrophes naturelles. À une échelle plus réduite, des articles comme les casques de vélo pliables pourraient améliorer la sécurité des cyclistes qui, autrement, ne pourraient pas transporter un casque encombrant.

Mais la conversion d'objets plats et déployables en leur forme 3D nécessite souvent un équipement spécialisé ou plusieurs étapes, et le mécanisme d'actionnement est généralement difficile à inverser.

« En raison de ces difficultés, les structures déployables sont généralement conçues manuellement et sont géométriquement assez simples. Mais si nous parvenons à créer des géométries plus complexes tout en simplifiant le mécanisme d’actionnement, nous pourrions améliorer les capacités de ces dispositifs déployables », explique Zaman.

Pour ce faire, les chercheurs ont créé une méthode qui convertit automatiquement le dessin 3D d'un utilisateur en une structure plate composée de tuiles, reliées par des charnières rotatives aux coins, qui peuvent être entièrement actionnées en tirant une seule fois sur une ficelle.

D'une simple traction sur une corde, une forme 3D aux courbes douces se dessine. « J'espère que cette méthode permettra de créer une grande variété de structures déployables », déclare Akib Zaman. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Leur méthode consiste à décomposer un motif utilisateur en une grille de tuiles quadrilatérales, inspirée du kirigami, l'art ancestral japonais du découpage de papier. Le kirigami permet, par la découpe d'un matériau selon des techniques spécifiques, de lui conférer des propriétés uniques. Dans ce cas précis, ils utilisent le kirigami pour créer un mécanisme auxétique, c'est-à-dire une structure qui s'épaissit lorsqu'on l'étire et s'amincit lorsqu'on la comprime.

Après avoir encodé la géométrie 3D sur un ensemble de tuiles auxétiques planes, l'algorithme calcule le nombre minimal de points de levage nécessaires au déploiement complet de la structure 3D par le câble de tension. Il détermine ensuite le chemin le plus court reliant ces points, en tenant compte de toutes les zones du contour de l'objet qui doivent être connectées pour guider la structure vers sa configuration 3D. Ces calculs sont effectués de manière à minimiser les frottements, permettant ainsi un déploiement fluide de la structure par une simple traction.

« Notre méthode simplifie la tâche de l'utilisateur. Il lui suffit de saisir son dessin, et notre algorithme se charge du reste. Ensuite, l'utilisateur n'a plus qu'à fabriquer les carreaux exactement comme l'algorithme l'a calculé », explique Zaman.

Par exemple, on pourrait fabriquer une structure à l'aide d'une imprimante 3D multi-matériaux qui imprime les charnières des carreaux avec un matériau flexible et les autres surfaces avec un matériau rigide.

Une méthode indépendante de l'échelle

L'un des plus grands défis auxquels les chercheurs ont été confrontés a été de déterminer comment modéliser efficacement le trajet de la corde et le frottement à l'intérieur du canal de la corde au plus près de la réalité physique.

« En manipulant quelques maquettes, nous avons constaté que la fermeture des tuiles de bordure est indispensable à un déploiement réussi et que le câble doit y être acheminé. Nous avons ensuite démontré cette observation mathématiquement. Puis, nous nous sommes appuyés sur une équation physique classique pour formuler le problème d'optimisation visant à minimiser le frottement », explique-t-il.

Ils ont intégré leur algorithme automatique dans une interface utilisateur interactive qui permet de concevoir et d'optimiser des configurations pour générer des objets fabricables.

Les chercheurs ont utilisé leur méthode pour concevoir plusieurs objets de tailles différentes, allant d'articles médicaux personnalisés, comme une attelle et un correcteur de posture, à une structure portable en forme d'igloo. Ils ont également fabriqué une chaise déployable à échelle humaine, conçue grâce à cette méthode.

Des chercheurs souhaitent approfondir l'étude de la conception de structures miniatures. Ici, une chaise miniature est créée à l'aide d'une simple ficelle. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Cette méthode est indépendante de l'échelle, elle pourrait donc être utilisée pour créer de minuscules objets déployables injectés et actionnés à l'intérieur du corps, ou des structures architecturales, comme la charpente d'un bâtiment, déployées et actionnées sur site à l'aide de grues.

À l'avenir, les chercheurs souhaitent approfondir la conception de structures miniatures, tout en relevant les défis d'ingénierie liés à la création d'installations architecturales, comme la détermination de l'épaisseur idéale des câbles et de la résistance nécessaire des charnières. Ils envisagent également de créer un mécanisme de déploiement automatique, afin que les structures n'aient pas besoin d'être actionnées par un humain ou un robot.

https://news.mit.edu/2025/one-string-pull-deploys-complex-structures-1223