Un nouvel outil de conception imprime en 3D des métamatériaux tissés qui s'étirent et se rompent de manière prévisible.
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Ce nouveau cadre facilite la conception et la fabrication de matériaux flexibles tels que les textiles imprimables et les mousses fonctionnelles, permettant aux utilisateurs de prédire la déformation et la défaillance des matériaux.
Les métamatériaux — des matériaux dont les propriétés sont principalement dictées par leur microstructure interne et non par leur composition chimique — redéfinissent le domaine des matériaux d'ingénierie depuis une dizaine d'années. Jusqu'à présent, cependant, la plupart des métamatériaux étaient des solutions légères conçues pour allier rigidité et résistance.
De nouvelles recherches menées par le département de génie mécanique du MIT présentent un cadre de conception computationnelle pour faciliter la création d'une nouvelle classe de métamatériaux souples, flexibles et déformables. Ces métamatériaux, appelés métamatériaux tissés 3D, sont constitués d'éléments de base composés de fibres entrelacées qui s'auto-contactent et s'enchevêtrent, conférant ainsi au matériau des propriétés uniques.
« Les matériaux souples sont indispensables pour relever les nouveaux défis d'ingénierie dans des domaines tels que la robotique souple, les dispositifs biomédicaux, ou même les dispositifs portables et les textiles fonctionnels », explique Carlos Portela, professeur titulaire de la chaire Robert N. Noyce de développement de carrière et professeur agrégé de génie mécanique.
Dans un article en libre accès publié le 26 janvier dans la revue Nature Communications , des chercheurs du laboratoire de Portela présentent un cadre de conception universel permettant de générer des métamatériaux tissés 3D complexes aux propriétés variées. Leurs travaux fournissent également un code source ouvert permettant aux utilisateurs de créer des modèles répondant à des spécifications et de générer un fichier pour l'impression ou la simulation du matériau à l'aide d'une imprimante 3D.
Comparaison entre la simulation par éléments de poutre et la tension expérimentale in situ d'un treillis tissé BCC 2 × 2 × 2. Crédit : Nature Communications (2026). DOI : 10.1038/s41467-026-68298-3
« Depuis des siècles, le tricot et le tissage traditionnels sont limités par les machines à tricoter et à tisser ; par exemple, on ne peut réaliser que quelques motifs pour confectionner des vêtements. Mais cela change si les machines ne constituent plus une contrainte », explique Portela. « Grâce à ce nouveau système, on peut créer des motifs intéressants qui modifient complètement le comportement du textile. »
Les applications possibles incluent les capteurs portables qui suivent les mouvements de la peau humaine, les tissus destinés aux secteurs de l'aérospatiale ou de la défense, les dispositifs électroniques flexibles et une variété d'autres textiles imprimables.
L'équipe a mis au point des règles de conception générales, sous forme d'algorithme, qui permettent d'abord de représenter graphiquement le métamatériau. Les attributs de ce graphique déterminent ensuite la disposition et la connexion de chaque fibre au sein du métamatériau. Les éléments constitutifs fondamentaux sont des cellules unitaires tissées dont les propriétés peuvent être modulées par le contrôle de divers paramètres de conception, tels que le rayon et le pas des fibres qui composent les entretoises tissées.
« Grâce à cette structure, ces métamatériaux peuvent être conçus sur mesure, plus souples à certains endroits et plus rigides à d'autres, ou encore changer de forme lorsqu'ils s'étirent. Ils peuvent ainsi présenter une gamme exceptionnelle de comportements, difficiles à obtenir avec des matériaux souples classiques », explique Molly Carton, auteure principale de l'étude. Ancienne postdoctorante au sein du laboratoire de Portela, Carton est aujourd'hui professeure adjointe de recherche en génie mécanique à l'Université du Maryland.
Simulation par éléments finis d'un échantillon structuré illustrant la rupture du réseau cristallin. Crédit :
Nature Communications (2026). DOI : 10.1038/s41467-026-68298-3
De plus, le cadre de simulation permet également aux utilisateurs de prédire la réponse à la déformation de ces matériaux, en capturant des phénomènes complexes tels que l'auto-contact au sein des fibres et l'enchevêtrement, et de concevoir pour prédire et résister aux schémas de déformation ou de déchirure.
« Le plus passionnant a été de pouvoir moduler la défaillance de ces matériaux et de concevoir des combinaisons arbitraires », explique Portela. « Grâce aux simulations, nous avons pu fabriquer ces géométries spatialement variables et les tester à l’échelle micrométrique. »
Ce travail est le premier à proposer un outil permettant aux utilisateurs de concevoir, d'imprimer et de simuler une nouvelle classe de métamatériaux extensibles et résistants. Il démontre également que, grâce au réglage des paramètres géométriques, les utilisateurs peuvent contrôler et prédire la déformation et la rupture de ces matériaux, et présente plusieurs nouveaux éléments de conception qui élargissent considérablement le champ des propriétés des métamatériaux tissés.
« Jusqu'à présent, ces structures 3D complexes étaient conçues manuellement, de manière fastidieuse, ce qui limitait le nombre de modèles testés », explique Carton. « Nous avons pu décrire le fonctionnement de ces structures tissées et utiliser ces connaissances pour créer un outil de conception permettant de réaliser des structures tissées de formes variées. Grâce à cette liberté de conception, nous pouvons modéliser la déformation d'une structure lorsqu'elle s'étire, l'enchevêtrement et le nouage des fibres, ainsi que sa rupture lorsqu'elle est étirée au maximum. »
Carton estime que ce cadre sera utile dans de nombreuses disciplines. « En publiant ce cadre sous forme d'outil logiciel, nous espérons que d'autres chercheurs exploreront les possibilités offertes par les réseaux tissés et trouveront de nouvelles façons d'exploiter cette flexibilité de conception », explique-t-elle. « J'ai hâte de voir quelles perspectives notre travail ouvrira. »
L’article, intitulé « Design framework for programmable three-dimensional woven metamaterials », est désormais disponible dans la revue Nature Communications . Ses autres auteurs affiliés au MIT sont James Utama Surjadi, Bastien FG Aymon et Ling Xu.
Ce travail a été réalisé, en partie, grâce à l'utilisation des installations de fabrication et de caractérisation du MIT.nano.
https://news.mit.edu/2026/3d-printed-metamaterials-stretch-and-fail-design-0204