PODIuM project – Pomme de pin et Impression 4D pour le morphing de structures bioinspirées (2019-2020)

PODIuM: Background

Depuis une quinzaine d’années, les possibilités d’application des fibres végétales sont étudiées pour le renforcement de matériaux (bio)composite pour des applications semi-structurelles. Les fibres libériennes (lin, chanvre,…) très utilisées en France, possèdent le plus fort potentiel avec des rigidités spécifiques équivalentes aux fibres de verre. Toutefois, ces biocomposites souffrent d’une trop forte sensibilité des fibres végétales à l’humidité, ce qui généralement va endommager le matériau et réduire drastiquement sa durée de vie.

Nous proposons une logique inverse. En effet, l’originalité des travaux proposés dans ce projet repose sur la volonté de profiter de cette sensibilité à l’humidité. En d’autres termes, s’inspirer de la connaissance du vivant (modèle ‘pomme de pin’) afin de tirer avantage des propriétés hygro-élastiques des fibres végétales plutôt que de les modifier ou d’en subir les conséquences. C’est sur ce principe que les biocomposites hygromorphes sont développés. Leur conception s’inspire d’actionneurs naturels l’écaille de pomme de pin sur laquelle nous travaillons déjà.

L’architecture et le fonctionnement de la pomme de pin sont de mieux en mieux décrits dans la littérature La durabilité accrue de ces actionneurs hydraulique a pu être démontré récemment par Poppinga et al [1] sur ces écailles fossilisées datant de 11 à 16 millions d’années répondaient toujours à une variation d’humidité g.

Figure 1 Actionnement d’une écaille sous variation d’humidité (a) [2], Evolution des courbures longitudinales et transverse d’une écaille à géométrie simplifiée (b) [3], Détail de la microstructure d’un biocomposite hygromorphe inspiré de celle d’une écaille de pomme de pin (c) [4], Réponse en courbure d’un échantillon (L= 70mm, l = 10mm) lors d’une variation d’humidité (d)[5]

La question principale de ce projet est donc : Comment ces actionneurs hydrauliques peuvent-ils proposer une réponse aussi performante et durable ? Comment peut-on transférer ces connaissances pour développer des biocomposites hygromorphes durables ?

L’objectif du projet PODIuM est :

–       Développer les connaissances (composition-structure-fonction) sur les actionneurs hydrauliques (pomme de pin) pour comprendre leur durabilité d’actionnement en vue d’une application Bottom-up

–       Associer les matériaux hygromorphes à des techniques d’élaboration permettant des architectures complexes : impression 4D

–       Développer les matériaux hygromorphes à performances augmentée (multifonctionnalité + mémoire de forme)

Défi Biomimétisme Appel à projets 2019

Le biomimétisme consiste à s’inspirer du vivant et tirer parti des solutions et inventions qui y sont produites. En prenant les systèmes biologiques comme modèles, certaines recherches ont démontré la possibilité de réconcilier les activités industrielles et le développement économique avec la préservation de l’environnement, des ressources et de la biodiversité.

Par exemple dans le secteur de l’énergie, le recours à la biomasse et à la séquestration du dioxyde de carbone atmosphérique et la mise en œuvre de sources diversifiées et décentralisées correspondent bien aux stratégies adoptées par les systèmes vivants. De manière similaire, les principes de la chimie verte rejoignent les processus biologiques : utilisation majoritaire d’éléments atomiques abondants, conditions de température et de pression modérées, biodégradabilité et biocompatibilité, catalyseenzymatique… Les matériaux du vivant sont également remarquables par leur diversité, leurs propriétés multifonctionnelles et leur manufacture par autoassemblage et autoréparation. Enfin, les systèmes biologiques favorisent une approche minimaliste et une gestion optimisée de l’information pour limiter les coûts énergétiques et la consommation de ressources, et augmenter l’adaptabilité et la résilience.

L’approche bio-inspirée possède donc des possibilités de valorisation multiples qui vont au-delà de la biologie et qu’il convient d’étudier plus avant par des approches résolument interdisciplinaires. L’objectif de cet AAP est de soutenir des projets de recherche sur le biomimétisme au sens large, mais nécessitant la mise en place de nouvelles collaborations.

Pour obtenir des informations :

Fabienne Aujard (responsable scientifique de l’action)

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