Les ingénieurs conçoivent des structures en origami qui changent de forme et de rigidité à la demande

Des ingénieurs de Princeton tordent, étirent et plissent des structures pour créer un nouveau type d'origami, dont la forme et les propriétés changent en fonction des circonstances. Cette nouvelle méthode pourrait être utile pour les prothèses, les antennes et autres dispositifs.

Lorsqu'un appareil doit tenir dans un espace restreint – dans un vaisseau spatial ou un appareil chirurgical – puis se déplier en une forme complexe, l'origami offre souvent une solution. Mais la plupart des formes d'origami sont figées dans quelques motifs prédéfinis une fois pliées.

Une équipe de Princeton dirigée par Glaucio Paulino souhaitait créer des structures capables de réagir à un stimulus extérieur de multiples façons, et non pas seulement selon quelques réponses structurées. Pour y parvenir, l'équipe a eu recours à une technique appelée frustration géométrique .

Une structure basée sur l'origami se plie et se tord de certaines manières en fonction des propriétés des matériaux et de la géométrie de la structure. Lorsque les ingénieurs empêchent ce mouvement naturel, ils qualifient la structure de « frustrante ». Normalement, les ingénieurs doivent composer avec la frustration, mais dans ce cas, cela élargit leur palette d'outils.

« Parfois, la frustration est souhaitable », a déclaré Glaucio Paulino, professeur d'ingénierie Margareta Engman Augustine à Princeton. La frustration permet aux concepteurs de faire en sorte que l'origami suive des motifs normalement non autorisés par sa géométrie. « Cela ouvre de nombreuses possibilités de conception, jusqu'alors impossibles. »

Les composants élastiques permettent aux ingénieurs de créer des structures qui réagissent différemment aux forces extérieures. Crédit : Wright Seneres/Université de Princeton

Dans un article publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences , les chercheurs ont décrit comment ils ont ajouté des composants élastiques à des structures cylindriques en origami, appelées cellules de Kresling. Ces sections élastiques agissent comme des ressorts. En contrôlant la réaction des ressorts à une force, les chercheurs ont pu réaliser des pliages précis des cellules, impossibles à réaliser sans ressorts.

Paulino explique que les ressorts permettent aux concepteurs d'introduire de l'énergie interne dans la structure pliée grâce à la précontrainte. Cette précontrainte permet à l'origami de réagir de manières impossibles avec des matériaux ordinaires. Par exemple, les ingénieurs peuvent introduire un ressort de torsion qui fait tourner l'origami d'une manière spécifique ; ils peuvent ajouter un ressort le long de l'axe principal de la structure qui comprime la structure pour lui donner une forme compacte ou l'étire.

En combinant des cellules frustrées en piles, les ingénieurs ont pu développer des matériaux dont les propriétés, comme la rigidité, sont finement contrôlées. Par exemple, une prothèse de jambe construite avec ce système peut se rigidifier pour offrir un soutien lors de la marche sur une surface plane, mais se reconfigurer pour devenir plus flexible lors de la montée d'escaliers. Les concepteurs ont également pu créer des métasurfaces ajustables utilisées dans les antennes et l'optique.

« Exploiter la frustration nous permet de reprogrammer la mécanique de l'origami, par exemple en transformant le pliage aléatoire de Kresling en séquences précises et contrôlables et en ouvrant de nouvelles possibilités pour des applications avancées », a déclaré Diego Misseroni, un collaborateur de l'Université de Trente.

« Nous pouvons programmer n'importe quelle propriété mécanique que nous souhaitons, c'est donc tout à fait unique », a déclaré Tuo Zhao, chercheur postdoctoral dans le groupe de Paulino.

L'équipe voit un impact potentiel pour ce type de structure dans de nombreux domaines. Ce système d'origami frustré peut être combiné à d'autres techniques et matériaux évolutifs à la demande, selon Shixi Zang, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'article. Par exemple, l'utilisation de l'origami frustré permet de développer des dispositifs modulaires et réactifs, comme un pare-soleil passif qui s'ouvre et se ferme en fonction de la température ambiante.

https://techxplore.com/news/2025-09-origami-stiffness-demand.html