Les ondes sonores pourraient être utilisées pour reprogrammer à distance la rigidité des matériaux, des implants aux muscles robotiques.
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Une équipe de chercheurs codirigée par l'Université de Californie à San Diego, l'Université du Michigan et le CNRS, au Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans, a démontré une nouvelle méthode pour contrôler à distance le comportement d'un matériau grâce au son. Ces découvertes pourraient mener au développement d'équipements de protection, de muscles robotiques ou d'implants médicaux capables d'ajuster leur rigidité à la demande.
Dans une étude publiée dans Nature Communications , l'équipe a démontré pour la première fois que des fréquences spécifiques d'ondes acoustiques peuvent être appliquées à un matériau pour déplacer de manière fiable des caractéristiques localisées connues sous le nom de coudes mécaniques, qui déterminent si différentes régions du matériau sont molles ou rigides.
Les coudes agissent comme des frontières entre deux états internes distincts d'un matériau. De part et d'autre d'un coude, le matériau peut être constitué des mêmes atomes ou unités de base, mais ces unités sont orientées différemment dans les trois dimensions. Ce changement subtil peut engendrer des propriétés mécaniques très différentes. Les coudes mécaniques, en particulier, marquent les zones de déformation d'un matériau. Ils apparaissent, par exemple, là où les métaux se courbent de façon permanente ou là où les brins d'ADN se séparent.
Les spécialistes des matériaux s'intéressent depuis longtemps au contrôle des défauts de structure, car leur déplacement peut modifier le comportement d'un matériau. Par exemple, il peut altérer la sensation de souplesse et de rigidité au toucher. Cependant, cette opération s'est avérée complexe. Dans la plupart des matériaux, les défauts de structure se heurtent à des barrières énergétiques qui les maintiennent en place.
Et bien que des études antérieures aient démontré la possibilité de déplacer ces défauts à l'aide d'ondes sonores, le mouvement obtenu était généralement chaotique et difficile à prévoir, explique Nicholas Boechler, co-auteur de l'étude et professeur au département de génie mécanique et aérospatial de l'école d'ingénierie Jacobs de l'UC San Diego.
En collaboration avec Xiaoming Mao (Université du Michigan) et Georgios Theocharis (CNRS, Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans), co-auteurs de l'étude, Boechler et ses collègues ont démontré comment déplacer une courbure de manière contrôlée grâce aux ondes sonores. Ils ont modélisé un matériau dont le déplacement de la courbure ne requiert aucune énergie, une propriété rare et inhabituelle. Ce résultat a été obtenu en concevant un matériau dont le comportement est déterminé par sa structure plutôt que par sa composition.
Dans le matériau modélisé, la zone où se situe le point de pliure est souple, tandis que le reste du matériau devient progressivement plus rigide. Si le point de pliure est déplacé à une extrémité, cette extrémité devient souple tandis que la rigidité augmente de façon exponentielle vers l'extrémité opposée. Déplacez le point de pliure de l'autre côté, et le profil de rigidité s'inverse. Déplacez le point de pliure au milieu, et le matériau devient souple au centre et rigide aux deux extrémités.
« L'idée, c'est que nous avons essentiellement créé un faisceau tracteur acoustique qui déplace une courbure et modifie la sensation d'un matériau — tout en créant des gradients de rigidité — à la demande », a déclaré Boechler.
Comme le matériau du modèle ne présente aucune barrière énergétique, les chercheurs ont pu utiliser les ondes sonores non seulement pour déplacer le coude, mais aussi pour le faire de manière prévisible et étape par étape.
« Nous avons démontré que si l'on envoie des ondes acoustiques d'un côté, elles déplacent la courbure vers l'endroit d'où provient le son », explique Boechler. « On peut envoyer une petite impulsion, et la courbure se déplace légèrement. Une autre impulsion, et elle se déplace un peu plus. C'est en quelque sorte une télécommande pour l'état interne du matériau. »
Pour démontrer leur phénomène, l'équipe a construit un modèle expérimental grandeur nature composé d'une chaîne de disques rotatifs empilés et reliés par des ressorts. Chaque disque représente un atome, tandis que les ressorts simulent les liaisons atomiques. Un disque, disposé différemment des autres, représente le point de rupture. Lorsque de brèves impulsions d'ondes acoustiques étaient envoyées dans la structure, le point de rupture était attiré vers la source sonore, déplaçant ainsi quelques disques à la fois. Chaque nouvelle impulsion vibratoire poussait légèrement le point de rupture plus loin. Avec des vibrations plus longues, le point de rupture était déplacé en continu sur toute la longueur de la chaîne, inversant ainsi la rigidité de la chaîne.
Bien que les chercheurs puissent actuellement tirer sur le coude plutôt que le pousser, ils soulignent que le niveau de contrôle atteint surpasse déjà tout ce qui a été réalisé jusqu'à présent. L'équipe a également démontré que seules certaines fréquences sonores provoquent le mouvement du coude, tandis que d'autres sont sans effet.
Des simulations informatiques ont également révélé que lorsqu'une onde sonore atteint le coude, une partie de l'onde est réfléchie et l'autre la traverse. Malgré cela, l'interaction transfère de l'énergie cinétique au coude, lui permettant ainsi de poursuivre son mouvement.
Le système modélisé dans cette étude laisse entrevoir des applications futures potentielles telles que des matériaux à rigidité ajustable, des structures à géométrie variable et une transmission de signal robuste.
« Pour l’instant, il s’agit d’un prototype », a fait remarquer Boechler. « Si l’on pouvait transformer un matériau comme celui-ci en un matériau réel, on pourrait imaginer des structures qui s’adaptent instantanément – des matériaux que l’on pourrait reprogrammer par le son. »
Les prochaines étapes consistent à explorer des versions tridimensionnelles du système modèle et à étudier si des effets similaires pourraient exister à des échelles beaucoup plus petites, voire atomiques.
« Il s’agit de recherche fondamentale », a déclaré Boechler. « Or, ce sont souvent les découvertes fondamentales qui, à long terme, font progresser la technologie. Nos travaux démontrent ce qu’il devient possible de faire lorsqu’on conçoit des matériaux aux propriétés véritablement nouvelles. »
Étude complète : « Observation of mechanical kink control and generation via acoustic waves ou Observation du contrôle et de la génération de coudes mécaniques via des ondes acoustiques ». Parmi les autres co-auteurs de l’étude figurent Kai Qian (premier auteur) et Nicolas Herard, UC San Diego ; et Nan Cheng, Francesco Serafin et Kai Sun, Université du Michigan.