Des pinces de homard et des écailles de poisson aux coquilles de conques, les humains ont souvent été inspirés par la nature dans la création d'équipements de protection. Récemment, une équipe de chercheurs du MIT, de Virginia Tech, de l'Université Harvard, de la California State University Fullerton et du Max Planck Institute of Colloids
«Cette approche nous permet de mener une évaluation quantitative de notre armure d’inspiration chiton pour évaluer sa flexibilité et ses capacités de protection en fonction de l’orientation», ont écrit les chercheurs dans le résumé.
Les armures biologiques offrent une protection mécanique contre l'environnement, ce qui inclut les attaques de prédateurs. Les armures artificielles utilisent des structures rigides pour cette protection, ce que l'équipe a expliqué peut entraîner
Rhyssoplax canariensis (Image: Jose Maria Hernandez Otero, BioLib)
«De nombreuses espèces de chiton possèdent des centaines de petites écailles minéralisées disposées sur la ceinture souple qui entoure leurs plaques de coquille qui se chevauchent», déclare le résumé. “Assurant à la fois la flexibilité pour la locomotion et la protection du corps mou sous-jacent, la ceinture à l’échelle est un excellent modèle pour la conception d’armures multifonctionnelles.”
Parce que de nombreuses armures biologiques sont basées sur des plaques d'armure dures et rigides, la flexibilité est difficile à associer avec elle. Des armures en forme d'écailles avec de nombreux petits éléments répétitifs, comme celui du chiton, peuvent aider à maximiser la combinaison de flexibilité et de protection. L'équipe a terminé une étude de la géométrie 3D, de la diversité structurale interspécifique, de la composition des matériaux et des propriétés nanomécaniques des écailles de ceinture de chiton, en se concentrant sur le chiton Rhyssoplax canariensis (Chitonidae: Chitoninae). Cette espèce est couverte par un total de huit
Figure 1. Blindage biologique flexible à l'échelle dans la ceinture du chiton Rhyssoplax canariensis. a, b Images MEB à grand champ du chiton R. canariensis, qui montrent respectivement la vue dorsale et latérale des plaques primaires (PP) et de la ceinture recouverte d'écailles périphériques (G). c Vue agrandie de la ceinture recouverte d'écailles dorsales. L'image a été acquise à partir de la région indiquée par la boîte rectangulaire dans un, mettant en évidence les échelles de ceinture dorsale individuelles qui se chevauchent, une armure de protection entièrement couverte. d Coupe transversale fracturée de l'armure à l'échelle de la ceinture, qui se compose de trois composants disposés de la face dorsale à la face ventrale: (1) écailles dorsales (DS); (2) couche fibreuse (FL); et (3) écailles ventrales (VS). Les lignes pointillées blanches indiquent la hauteur de la matrice organique inter-échelles, et la flèche rouge indique les espaces entre les échelles adjacentes. e Vue en coupe d'une armure à l'échelle basée sur la tomographie micro-calculée (
«Contrairement à la plupart des mollusques à carapace où la mobilité est limitée, comme dans les mollusques à carapace unique (gastéropodes, y compris les escargots, les scaphopodes ou les coquilles de défense, et certains céphalopodes tels que Nautilus) ou les bivalves à carapace (moules, palourdes, pétoncles, etc.) ), la plupart des polyplacophores (chitons) sont caractérisés par huit plaques à coque dure qui se chevauchent (Fig. 1a, b), qui s’adaptent collectivement à une large gamme de mouvements », ont expliqué les chercheurs. “En plus des huit plaques de coquille qui se chevauchent (qui sont fonctionnellement analogues à l’exosquelette segmenté en forme de plaque de nombreux crustacés), une protection supplémentaire est fournie par une épaisse ceinture de cuir qui contourne la périphérie de l’animal.”
Même si les écailles de ceinture sont minérales presque pures et très rigides, elles sont également très flexibles et capables de s'adapter aux surfaces rugueuses. Les écailles de chiton ont également une composition plus uniforme, sans porosité, sous-couches ou hétérogénéité des matériaux.
«Cette observation souligne la pertinence des écailles de chiton comme modèle pour la bioinspiration, car les performances mécaniques de leur armure peuvent être attribuées principalement à des considérations géométriques, plutôt qu’à une variation de matériau à échelle fine», a noté l’équipe.
Figure 1. g
L'équipe a utilisé de nombreuses approches expérimentales et de modélisation, telles que les tests mécaniques, la modélisation par éléments finis, la microscopie électronique, la tomodensitométrie à rayons X synchrotron et la nanoindentation instrumentée, pour étudier les chitons et l'utilisation d'échelles de type chiton dans des flexibles imprimés en 3D. armure.
«En intégrant les propriétés physiques et fonctionnelles des écailles de ceinture chiton caractérisées dans ces enquêtes, nous concevons un système d’armure flexible bio-inspiré, intégrant la modélisation géométrique paramétrique et l’impression 3D multi-matériaux», ont écrit les chercheurs. «Nous explorons les compromis fonctionnels entre la protection et la flexibilité dans ce système de blindage à l’échelle du modèle et son potentiel pour informer la conception de prototypes fonctionnels supplémentaires.»
Une imprimante 3D multi-matériaux Connex 500 de Stratasys a été utilisée pour créer des prototypes à partir de photopolymères souples et rigides de différentes couleurs.
Géométrie 3D et morphologie de surface des écailles dorsales individuelles du chiton R. canariensis. une
“Afin de reproduire avec succès la morphologie de l’échelle pour la production d’un analogue structurel imprimé en 3D … des mesures quantitatives de la géométrie de l’échelle ont été effectuées en définissant plusieurs paramètres morphométriques”, ont déclaré les chercheurs.
L'équipe a également pris
«La modélisation 3D réussie d’échelles individuelles nous a permis de concevoir un ensemble d’armures à échelle composite similaire à celui des chitons», a expliqué l’équipe. «Le système d’armure bio-inspiré comprenait des écailles rigides intégrées dans un substrat mou sous-jacent.»
Figure 5. Modélisation paramétrique 3D des géométries à l'échelle du chiton. a Top, le modèle à l'échelle 3D avec trois courbes d'échafaudage principales. En bas, modèle à l'échelle 3D mis en évidence avec la colonne vertébrale centrale pour générer les mailles de surface. b Trois courbes principales avec repères géométriques indiqués. c, d Comparaison des écailles de chiton originales avec les modèles d'échelle imités correspondants pour deux espèces: c, une échelle à simple courbe de Rhyssoplax canariensis et d, une échelle à double courbe de Lepidozona mertensii.
Ils ont utilisé des matériaux avec des modules d'env. 2
Conception et fabrication d'armures à l'échelle flexible bio-inspirées. un diagramme schématique montrant les composants de base de l'armure; (1) écailles, (2) matrice et (3) couche sous-jacente souple. b Vue latérale et inférieure de l'armure. d, espacement inter-échelles. d Écran plat à écailles uniformes fabriqué par fabrication additive. e Un panneau courbé montrant une excellente flexibilité. f, g Conception d'un modèle d'échelle avec des gradients de taille. h Assemblage de l'échelle dans un substrat plat et incurvé. i Mise à l'échelle sur des surfaces à double courbure. j Images de projection aux rayons X d'une genouillère basée sur le panneau de protection à l'échelle bio-inspirée dans j positions allongées et k pliées, démontrant sa conformabilité et sa flexibilité. l Démonstration de la capacité de protection de la genouillère inspirée de l'échelle du chiton sur du verre brisé.
Ils ont également étudié les performances mécaniques de leurs prototypes multimatériaux imprimés en 3D, et même imprimé en 3D un prototype de genouillère à l'échelle afin de démontrer l'utilité du système inspiré du chiton pour les applications de protection et flexibles.
«Les conceptions de genouillères actuelles tombent souvent dans l’un des deux extrêmes: plaques dures et rigides qui créent une protection élevée mais limitent la flexibilité, ou caoutchoucs / mousses élastomères qui offrent une grande flexibilité mais une protection limitée (en particulier contre les objets tranchants). Le coussin de protection du genou inspiré des écailles de chiton offre une solution unique à ce dilemme », ont noté les chercheurs.
Les ensembles de balances imprimés en 3D avaient une résistance à la perforation beaucoup plus élevée que les genouillères typiques avec des inserts à base de caoutchouc ou de mousse, et présentaient également de bonnes capacités de conformité de forme dans des configurations étendues et pliées.
Les co-auteurs de l'article sont Matthew Connors, Ting Yang, Ahmed Hosny, Zhifei Deng, Fatemeh Yazdandoost, Hajar Massaadi, Douglas Eernisse, Reza Mirzaeifar, Mason N. Dean, James C. Weaver, Christine Ortiz et Ling Li.
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