De nouvelles découvertes dans le domaine des métamatériaux permettent de concevoir de meilleurs implants, des mains robotiques et des pare-chocs plus performants.
Exemples de blocs de métamatériaux imprimés en 3D avec différentes cellules unitaires, tels qu’étudiés dans l’article. | Image : Shantanu Nath, Université de Groningue aux Pays-Bas
Les métamatériaux sont des composites dont la structure est contrôlée avec une grande précision. C’est cette structure, et non les substances qui les composent, qui détermine leurs propriétés. Un métamatériau est généralement constitué de blocs identiques répétés, appelés cellules unitaires. De nouvelles recherches menées par Shyam Veluvali, doctorant, la professeure Anastasiia Krushynska et leurs collègues des universités de Groningue, UMCG et de Karlstad en Suède, montrent que la réponse mécanique globale des métamatériaux dépend du nombre de cellules unitaires assemblées et de leur agencement.
Dans leur article paru dans la revue Small Structures , Shyam Veluvali et ses collègues démontrent comment la taille des éléments constitutifs influence les comportements les plus simples, comme l’élasticité. Ils montrent également que le nombre d’éléments peut affecter les propriétés du métamatériau. De plus, plus on ajoute d’éléments, plus il devient facile de prédire le comportement structurel d’un métamatériau. Ces observations permettent de prédire avec une plus grande précision la mécanique des métamatériaux, tels que les implants osseux.
Une alternative aux métamatériaux
Actuellement, les implants osseux sont fabriqués en alliage de titane, beaucoup plus rigide que l’os lui-même et qui, de ce fait, supporte la majeure partie de la charge liée à la mastication ou à la parole. La rigidité du titane réduit la charge sur l’os restant et, à mesure que celui-ci s’adapte à cette charge, il s’affaiblit. « Nous proposons de remplacer les implants traditionnels par un métamatériau », explique Shyam Veluvali. En adaptant la structure du matériau, il est possible d’ajuster la rigidité de l’implant à celle de l’os. Dans ce cas, l’os et l’implant se partagent la charge et, par conséquent, l’os reste solide.
Résumé graphique de l’article | Petites structures/Université de Groningue
L’article montre également que le type de force agissant sur le métamatériau a son importance. Shyam Veluvali explique : « Nous avons constaté que différents types de forces, comme le cisaillement, l’étirement ou la torsion, peuvent avoir des effets différents sur un même matériau. » Ce phénomène était jusqu’alors inconnu, les études précédentes s’étant concentrées sur une seule force.
Ces résultats sont utiles pour la conception de différents types d’implants (orthopédiques ou rachidiens, par exemple), ainsi que pour des applications telles que les pinces de mains robotisées ou les absorbeurs d’énergie comme les pare-chocs de voitures. « Nos connaissances permettent de concevoir des structures plus sûres et plus durables pour diverses applications, grâce au choix de la taille et de l’agencement appropriés des blocs. »
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202500434