De l’origami aux mécanismes développables

Le gain d’espace est une contrainte technique qui préoccupe les ingénieurs dans différents secteurs d’activité. Pour résoudre cette problématique, l’origami a inspiré la création de plusieurs innovations. Ces dernières années, cet art japonais a permis, par exemple, de concevoir des robots qui changent de forme ou s’autoassemblent grâce à leurs structures pliables.

Récemment, des chercheurs de la Brigham Young University (BYU) au Utah et de la University of Southern Indiana ont misé sur l’origami pour la création de nouveaux modèles de mécanismes. Leur étude a porté sur les volumes courbés et les mouvements de roulement. Les chercheurs ont collaboré avec Robert J. Lang, un physicien, artiste et théoricien de l’origami, connu pour ses études sur le langage mathématique de l’art du pliage. Les recherches de l’équipe sur l’origami courbé ont permis de révéler son potentiel dans la génération de modèles géométriques qui permettent la conception de pièces mécaniques pliables. Leurs mécanismes peuvent être utilisés dans les domaines du militaire, de la santé, des transports, de l’industrie aérospatiale, etc. Ils pourraient servir à concevoir autant des instruments chirurgicaux que des rangements escamotables et des machines en mouvement.

Les mécanismes développables

L’équipe présente leurs conceptions comme étant une typologie de mécanismes inédite, les mécanismes développables. Comme on peut lire sur le site de la BYU, un mécanisme « est un dispositif mécanique utilisé pour transférer ou transformer un mouvement, une force ou de l’énergie. Les mécanismes utilisent généralement des liens et des articulations pour créer leur mouvement. »

Les mécanismes développables se distinguent par le fait qu’ils changent de formes sans se tordre ni s’étirer. Ils génèrent du mouvement et sont conçus à partir d’une surface courbée, disposée selon une position bien déterminée. Pour créer le mouvement, les axes des articulations du mécanisme doivent se situer le long des lignes directrices de la surface développable. Ainsi, contrairement aux mécanismes traditionnels, les axes des articulations doivent être conçus en fonction de la géométrie de la surface.

La pièce joue sa fonction mécanique lorsqu’elle est déployée. De cette façon, à l’état contracté, elle prend moins d’espace et se range plus facilement. Les volumes fabriqués par l’équipe sont sous forme de cône et de cylindre. Ces derniers effectuent des mouvements semblables à ceux créés par deux types de quadrilatères articulés.

Cette vidéo explique le principe des quadrilatères articulés :

Conception de deux types de quadrilatères articulés

L’objectif de l’étude a été de convertir l’axe d’un pli, qui articule un modèle d’origami, en liaison capable d’assumer ses fonctions mécaniques à savoir la génération et la transmission du mouvement dans une pièce. L’étude a porté sur le cas de conception de pièces à base de matériaux rigides comme la tôle de fer et le plastique. Aussi, les chercheurs ont étudié les géométries et les positions des axes de flexion afin de maîtriser le déploiement des surfaces. La géométrie du cône a été transformée afin de créer un mécanisme de Bennett, et ce, évidemment, sans avoir recours à des pièces supplémentaires. Pareillement, le cylindre a été découpé en quatre parties afin d’obtenir le mécanisme lambda de Tchebychev.

Comme le montre la vidéo suivante, les formes pliées assurent la fonction de transmission de mouvements lorsqu’elles sont déployées

L’étude a été financée par la National Science Foundation. Elle s’intitule « Developable mechanisms on developable surfaces » et a été publié dans Science Robotics le 13 février 2019. Elle a été coécrite par Todd G. Nelson, Trent K. Zimmerman, Spencer P. Magleby, Robert J. Lang et Larry L. Howell.