Et si les objets que nous pouvons fabriquer en 3D pouvaient se comporter comme des organismes vivants, détectant les stimuli extérieurs (lumière, température, humidité, champs électriques ou magnétiques) et réagissant et s’adaptant à leur environnement ? Et s’ils pouvaient se plier, s’assembler, se réparer ou même se désintégrer par eux-mêmes, en changeant de forme, de taille, de couleur ou de fonction ? Et s’ils pouvaient également revenir à leur état d’origine plus tard ? Toutes ces hypothèses peuvent sembler folles de prime abord, presque de la science-fiction, mais elles sont d’ores et déjà une réalité.
Associer les avancées de la technologie 3D avec l’utilisation de matériaux dits intelligents et l’application d’un modèle mathématique pour programmer (et prédire) leur comportement, tout cela est déjà possible, c’est la technologie 4D. Des laboratoires et des groupes de recherche de premier plan à travers le monde travaillent depuis quelques années déjà sur une version supérieure de l’impression numérique pour créer des objets tridimensionnels autonomes, sans câble ni circuit.
Imaginez à présent un vêtement qui change de couleur en fonction de l’environnement, ou une paire de baskets qui se transforme et s’adapte au pied en fonction du mouvement et de l’impact. Ou encore, un meuble plat qui se plie tout seul et se déplie pour gagner de la place, une voiture avec des roues qui se réparent en cas de crevaison, ou des canalisations qui se dilatent ou se contractent en fonction du débit d’eau. Envisagez également des implants qui s’adaptent au corps d’un enfant à mesure qu’il grandit et se dissolvent lorsqu’ils ne sont plus nécessaires, ou des tissus à mailles spéciales qui réfléchissent la lumière d’un côté et absorbent la lumière de l’autre et peuvent être pliés de différentes manières, parfaits pour créer des combinaisons d’astronautes, pour construire des antennes spatiales ou pour servir de bouclier aux navires et aux satellites contre l’impact des météorites.
Tout cela, et plus encore, c’est l’impression 4D : le prochain grand défi du design industriel, un changement radical dans notre compréhension des structures, la révolution qui ne cesse d’évoluer. « Nous sommes à l’aube, émergeant fortement, mais c’est encore un peu les balbutiements», explique Carlos Sánchez Somolinos, chercheur au CSIC (Conseil supérieur de la recherche scientifique) de l’INMA (Institut des nanosciences et des matériaux d’Aragon), où il dirige le Laboratoire de Fabrication Avancée (AML), et il est également membre du Comité de Direction de la « Plateforme Thématique Interdisciplinaire du CSIC pour le développement de la Fabrication Additive ». Sánchez Somolinos est l’un des scientifiques espagnols qui connaît le mieux les structures 4D. Avec son équipe, il réalise des projets très prometteurs dans des domaines tels que la biomédecine et la robotique douce. Voici un exemple :
Les origines de l’impression 4D
Mais voyons d’abord comment cette histoire fascinante a débuté. Il n’y a pas si longtemps, penser au terme impression signifiait imaginer une série de feuilles de papier imprimées à l’encre par une machine plus ou moins bruyante. Jusqu’à ce que l’impression 3D débarque à la fin des années 1970, l’une des technologies les plus innovantes et disruptives dans le domaine de la fabrication moderne. En quoi consiste-t-elle exactement ? Cette technique permet de créer des objets tridimensionnels par addition, couche par couche, en utilisant du filament à la place de l’encre. En d’autres termes, les pièces ne sont pas ici fondues ni moulées ni percées, mais plutôt la matière utilisée (plastique, mais aussi céramiques, métaux, résines et même matières biologiques) est déposée en couches successives jusqu’à former et créer l’objet désiré.
Bien que la technologie 3D ait parcouru un long chemin depuis sa création, nous sommes loin d’avoir atteint le point où il existe une imprimante de ce type dans chaque foyer. Cependant, elle est assez utilisée dans des domaines tels que la robotique, la santé ou les sciences aérospatiales, car elle permet la fabrication de structures uniques et hautement personnalisées. Par exemple, des maisons ont déjà été construites en 3D (et des quartiers entiers sont prévus), la NASA a conçu des logements dans le but de les installer un jour sur Mars, et il existe également des œuvres d’art, des meubles et des jouets créés avec cette technologie. Des imprimantes 3D sont déjà fabriquées avec des pièces imprimées précisément avec des imprimantes 3D.
Le facteur temps
Passons à l’impression 4D. Sa base est la technologie de fabrication numérique. Il est clair que sans cela, ce ne serait pas viable. Mais un nouvel élément entre en jeu et vient s’ajouter à l’équation : le temps. En intégrant cette nouvelle dimension, le quatrième « D », les objets tridimensionnels peuvent être dynamiquement transformés. Et sans intervention humaine pour aider dans le processus. C’est un concept extrêmement avant-gardiste.
Le précurseur de cette technologie émergente et innovante est l’américain Skylar Tibbits, architecte, informaticien et fondateur et coordinateur du Self-Assembly Lab au Massachusetts Institute of Technology (MIT). Il l’a présenté au monde en février 2013, en Californie, lors d’une conférence TED (Technology, Entertainment and Design) qui a révolutionné le marché de l’impression 3D. Tibbits a d’abord montré un prototype qui permettait d’ajouter une nouvelle fonctionnalité à cette technologie et d’imprimer des objets qui changeaient de forme de manière autonome et de s’auto-assembler au fil du temps.
L’une des premières choses auxquelles Skylar Tibbits a pensé lorsqu’il s’est penché sur cette nouvelle technique est qu’elle pourrait être utilisée pour fabriquer des tuyaux intelligents. En les réalisant en 4D, ils pourraient changer de forme et de taille en fonction du volume d’eau et ils se répareraient également en cas de fuite, ce qui éviterait d’avoir à les déterrer et à les changer, un travail beaucoup plus lent et coûteux. D’autres idées ont également vu le jour dans son laboratoire, dont certaines ont été présentées au Design Miami de 2017. L’une était la Liquid Printed Light (Lumière Imprimée Liquide), une structure en caoutchouc de silicone qui, comme l’a expliqué Tibbits, s’imprime à petite taille puis s’étire autour d’une lumière (le stimulus) pour créer une surface beaucoup plus grande, générant un gain de temps et de matériel d’impression :
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Une autre application était le Liquid Printed Bag, un sac réalisé avec la même technique et un matériau identique :
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La clé se trouve dans les matériaux
Bien que la base de la technologie 4D soit dans le processus en soi, son énorme potentiel est fondamentalement dû aux matériaux utilisés pour fabriquer les objets. Rappelons que toutes les pièces imprimées en 3D ont un point commun : une fois imprimées, elles ne peuvent pas changer. Ce sont des objets passifs, rigides et immuables. « Les objets 3D sont très beaux, mais ils sont inanimés, comme le plastique, le métal ou la céramique », explique Sánchez Somolinos.
Mais c’était jusqu’à présent, bien sûr. Les structures fabriquées en 4D sont constituées de matériaux intelligents (smart materials), qui contiennent des composants fonctionnels ou réactifs conçus mathématiquement, programmés pour répondre à des stimuli externes spécifiques et les rendant capables de gonfler, rétrécir ou se plier, se déplacer et changer de forme, voire de couleur. En somme, d’être adaptables et dynamiques. Bastien E. Rapp, Directeur du laboratoire de technologie des procédés NeptunLab à l’Université de Fribourg en Allemagne, résume ainsi : « L’impression 4D est la forme fonctionnelle de l’impression 3D. Au lieu de simplement imprimer des structures physiques, nous pouvons à l’heure actuelle imprimer des fonctions. C’est comme intégrer un bout de code dans un matériau : une fois activé, il fait ce que vous avez programmé. » « Oui, d’une certaine manière, c’est comme si les objets étaient vivants », ajoute Sánchez Somolinos.
Et quels sont les matériaux disponibles dans l’univers 4D ? Il y en a plusieurs. Il en existe des thermosensibles, réactifs à l’humidité, sensibles à la lumière, au courant électrique, aux champs magnétiques… Il est vrai qu’il n’en existe pas encore autant que ceux utilisés en impression 3D, mais on peut en distinguer trois types :
- Polymères à Mémoire de Forme (PMF). Ils sont capables de mémoriser une forme macroscopique, de la conserver un certain temps et de retrouver leur forme initiale sous l’effet de la chaleur, sans aucune déformation résiduelle. Un champ magnétique ou électrique ou une immersion dans l’eau représentent d’autres stimuli qui peuvent également provoquer la transformation.
- Elastomères à Cristaux Liquides (LCE). Ils contiennent des cristaux liquides sensibles à la chaleur. En contrôlant leur orientation, la forme souhaitée peut être programmée : sous l’effet de la température, la matière va se détendre et se transformer selon le code programmé. On le voit dans cet autre exemple du Laboratoire de Fabrication Avancée (AML) :
- Hydrogels. Ce sont des chaînes polymères composées principalement d’eau et qui réagissent au contact direct de celle-ci ou de l’humidité, augmentant leur taille de 200 %. Ils sont largement utilisés en médecine pour leur biocompatibilité.
Et le bois ? Est-ce aussi un matériau smart?
C’est le cas. Certains procédés d’impression 4D utilisent des composites à base de bois qui sont ajoutés à des polymères ou des hydrogels.
Et les fibrilles de cellulose qui en sont dérivées sont également utilisées. Au Wyss Institute de l’Université de Harvard, un groupe de chercheurs dirigé par la scientifique et ingénieure en matériaux américaine Jennifer Lewis utilise un composite d’hydrogel de cellulose réactive pour fabriquer de manière programmée des architectures inspirées des plantes qui changent de forme au fur et à mesure qu’elles s’immergent dans l’eau, donnant lieu à trois complexes morphologiques tridimensionnels. Ces fibres sont similaires aux microstructures qui permettent les changements de forme des fleurs.
4D Printing: Shapeshifting Architectures from Wyss Institute on Vimeo.
Regarder et reproduire la nature
Justement, c’est une autre des clés de cette nouvelle technologie et des matériaux intelligents : la réplication de la biologie. L’impression 4D est née de l’inspiration botanique. C’est ce qu’on appelle le biomimétisme : prendre la nature pour modèle, comme mesure et comme guide, ce qui donne l’impression d’architectures changeantes qui imitent les mouvements naturels des végétaux. « Les feuilles, le bois, ont une série de fibres qui ne sont pas placées au hasard dit Sánchez Somolinos, mais sont disposées de manière stratégique dictée par la nature, par la perfection de millions d’années d’évolution ». « J’ai un petit potager et l’après-midi, quand il fait très chaud, toutes les feuilles de mes plantes rétrécissent dans le même sens et si elles reçoivent de l’eau, elles s’étirent à nouveau », ajoute-t-il. Comme le mouvement des tournesols ou de la mauve de Cornouailles, qui peuvent suivre la position du soleil tout au long de la journée et se tourner pour faire face au lever du soleil malgré l’absence de système nerveux central.
La chercheuse en matériaux et communicatrice scientifique Anna Ploszajski donne également l’exemple de la façon dont la pomme de pin fonctionne comme un matériau naturel intelligent. Il s’avère que la pomme de pin a deux couches de fibres rigides qui vont dans des directions différentes et provoquent l’ouverture ou la fermeture du cône. Comment ? Eh bien, quand le moment est venu pour la germination dans le sol (s’il y a de la chaleur et de la sécheresse), arrive le moment de s’ouvrir et de libérer les graines. Elle est programmée pour cela. Au contraire, elle reste fermée protégeant les graines si l’humidité est élevée. La pomme de pin se présente comme ceci par défaut :
Horizon : défis et opportunités
L’avenir est dans la 4D, disent les experts. Certaines recherches semblent plus avancées. C’est le cas du projet de recherche européen PRIME coordonné par Sánchez Somolinos lui-même, et financé à hauteur de près de 3 millions d’euros, pour le développement via ECL (Liquid Crystal Elastomers) de la prochaine génération de dispositifs microfluidiques actifs, capables de gérer de manière autonome de très petites quantités de fluides pour effectuer des analyses biochimiques facilement et en moins de temps. Bien que l’un des exemples les plus populaires soit les tests de grossesse, ou actuellement les tests antigéniques pour détecter le Covid-19, cette technologie a également de multiples autres applications médicales, environnementales, alimentaires, biotechnologiques ou liées à la sécurité et à la pratique vétérinaire. Une autre des investigations au niveau européen et dans laquelle l’équipe du chercheur de Saragosse s’est lancée s’appelle STORM-BOTS et consiste à générer des matériaux intelligents orientés vers la robotique douce, qui permettent d’effectuer différentes fonctions (saisir, déplacer, retirer…) avec des applications très directes en chirurgie mini-invasive. « Sans perforer aucun tissu du patient, ce qui permet une interaction plus sûre », explique Sánchez Somolinos.
Cependant, la plupart des applications potentielles de l’impression 4D ne sont encore que cela : possibles et même probables. Mais elles ne sont pas encore sorties du laboratoire, puisqu’elles sont en phase expérimentale de recherche et développement. C’est l’un des principaux enjeux de cette technologie innovante : « Il n’y a toujours rien de commercial qui soit fabriqué et vendu sur Amazon », explique Sánchez Somolinos.
Nous connaissons ses avantages de fabrication – les objets peuvent « se souvenir » de leur forme, changer de taille après l’impression, permettre d’imprimer de gros objets sur des imprimantes plus petites, et c’est durable car ce serait zéro déchet et utiliserait des matériaux naturels et recyclés -, mais afin de pouvoir s’implanter sur le marché et dans la fabrication à grande échelle, c’est-à-dire pour être à la portée du citoyen, cette technologie doit d’abord surmonter plusieurs verrous technologiques : avoir plus d’imprimantes multi-matériaux, qui soient aussi moins chères, avoir des matériaux intelligents plus adaptés, avec des propriétés et une réponse appropriées, et que les matériaux soient aussi moins chers. Un autre goulot d’étranglement dans son développement est de savoir si l’on peut faire confiance aux objets imprimés sur le long terme.
Cependant, cette impression 4D « naissante », comme la définit Sánchez Somolinos, devrait se développer dans les années à venir. Il faudra un certain temps pour atteindre la maturité technologique, mais aujourd’hui nous savons déjà que son potentiel est sans précédent et il est donc très possible qu’elle fasse partie de notre vie quotidienne dans le futur, d’une manière que nous ne pouvons même pas imaginer aujourd’hui. « Nous sommes en plein moment où nous commençons à avoir plus de matériaux, quels sont les outils, et à leur donner une morphologie et des fonctionnalités, mais à partir de là, il nous reste à faire le grand saut vers de vraies applications. L’avenir est prometteur » conclut Sánchez Somolinos.
Et vous ? Pensez-vous que la conception et les structures imprimées en 4D auront bientôt un impact sur notre vie quotidienne ? Commentez sur les réseaux sociaux via le hashtag #ConnectionsByFinsa
