Quand on entend parler de designers s’inspirant des papillons, on pense souvent à la création de jouets volants télécommandés ou de petites machines volantes artificielles utiles à la pollinisation, notamment dans les régions où les colonies d’abeilles s’effondrent . Mais l’imitation des papillons va bien au-delà : elle permet aussi de diffuser la lumière pour remplacer les peintures toxiques ou lutter contre la contrefaçon , de faire progresser l’informatique optique et même de créer des implants oculaires plus performants . Et cela inclut désormais aussi la construction de bâtiments.
Car lorsqu’on pense à concevoir des structures massives et lourdes qui doivent être suffisamment robustes pour résister à des centaines de tonnes de pression exercée par les personnes, les meubles, les équipements et leurs propres composants – sans parler des contraintes du vent et du risque de tremblements de terre – pourquoi ne pas penser immédiatement à appliquer la structure des minuscules et délicates fenêtres en vitrail organique que nous appelons ailes de papillon ?
Dans leur article publié dans l’ International Journal of Mechanical Sciences , Jing Wei, Xiao Wong et leurs collègues de l’Université de technologie de Wuhan en Chine, ainsi qu’Eric Jianfeng Cheng de l’Université de Tohoku au Japon, expliquent comment, malgré la faible masse et la grande capacité d’absorption d’énergie des treillis traditionnels, leur vulnérabilité réside dans la concentration des contraintes.
Un seul choc au mauvais endroit et boum ! – effondrement total et catastrophe. Pour contrer cette fragilité, les chercheurs ont appliqué la distribution uniforme des contraintes des ailes de papillon à l’architecture, en utilisant une topologie cubique centrée inspirée du papillon (BCCB: butterfly-inspired body-centered cubic) (des formes capables de résister à la torsion ou à l’étirement).
Le principal atout de cette conception, qui accroît sa capacité d’absorption d’énergie et sa résistance aux chocs, réside dans son réseau anisotrope. L’anisotropie, contraire de l’isotropie, caractérise une structure non uniforme dans toutes les directions. Prenons l’exemple d’un arbre : si l’on frappe une section coupée avec une hache dans le sens du fil du bois, elle se fend facilement. En revanche, si l’on frappe le même arbre à contre-fil, il faudra une éternité pour le faire tomber. Les lentilles polarisées, les cristaux, les polymères d’acier et les objets imprimés en 3D sont tous anisotropes , tandis qu’une balle en caoutchouc ou le contenu d’un verre d’eau sont isotropes.
En exploitant l’anisotropie en architecture, les concepteurs obtiennent une déformation contrôlée et, lors de la compression, une redistribution non destructive des contraintes. Comme l’explique Chen : « Ce mécanisme structurel est particulièrement remarquable, car la plupart des matériaux à treillis légers ne résistent pas aux forces telles que le flambage local ou les chocs. À l’inverse, notre conception présente une résistance bien supérieure aux contraintes mécaniques soudaines. »
Un schéma montre comment la structure des ailes de papillon pourrait être intégrée dans des structures porteuses. Eric Jianfeng Cheng et coll.
Si les chercheurs continuent d’obtenir des résultats probants avec les structures anisotropes, leur objectif est d’appliquer leurs propriétés de résistance et de légèreté à la conception d’automobiles, d’aéronefs, voire de vaisseaux spatiaux, et bien sûr à la création d’infrastructures parasismiques. L’impératif d’une telle innovation dans ce domaine est considérable.
Par exemple, bien qu’il n’ait duré que 20 secondes, le séisme de 1995 à Kobe, au Japon, a détruit 100 000 bâtiments , et le séisme suivi d’un tsunami de 2011 qui a ravagé la région de Tōhoku, au Japon, a fait plus de 15 000 morts et contraint 130 000 personnes à quitter leur domicile, temporairement ou définitivement. Le séisme de 2004 dans les îles Sumatra-Andaman a déclenché des tsunamis qui ont causé la mort de 280 000 personnes et le déplacement de 1,1 million de personnes en Afrique de l’Est et en Asie du Sud .
Par conséquent, les bâtiments utilisant la conception anisotrope de Wuhan et de Tohoku offrent un grand espoir de prévenir les blessures et les décès de grande ampleur lors des séismes, ou d’accélérer les réparations et de réduire le nombre de maisons abandonnées. Dans les simulations et les essais mécaniques impliquant un chargement dynamique par impact et une compression quasi-statique, les conceptions anisotropes ont largement surpassé les conceptions en treillis conventionnelles, et ont redistribué les contraintes par une déformation semblable à celle des ailes déployées d’un papillon, empêchant ainsi un effondrement total.
