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Des scientifiques impriment en 4D une nouvelle attelle de poignet inspirée de la vigne

Rédigé par Dvd3d

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Des chercheurs de l’Université de Fribourg et de l’Université de Stuttgart ont développé une nouvelle méthode d’impression 4D de dispositifs médicaux portables qui s’adaptent automatiquement à l’anatomie du patient.

Inspirés du mécanisme de propagation de la pomme de terre aérienne (Dioscorea bulbifera), les systèmes imprimés peuvent être préprogrammés pour effectuer des mouvements complexes lorsqu’ils sont exposés à l’humidité. L’équipe a déjà tiré parti de l’approche pour imprimer en 4D une attelle de poignet orthopédique auto-serrante, qui s’enroule seule autour du bras du patient.

Tiffany Cheng, co-auteur de l’étude, a déclaré à Materials Today : « Nous avons montré comment les principes fonctionnels et structurels de la biologie pouvaient être transférés aux systèmes matériels techniques. Notre travail constitue une étape importante dans l’élargissement de l’espace de conception et des fonctionnalités ajustables des solutions bio-inspirées.

L'attelle de poignet imprimée en 4D.  Image via l'Université de Fribourg.
L’attelle de poignet imprimée en 4D. Image via l’Université de Fribourg.

Impression 4D bio-inspirée

Lorsque la forme d’une structure imprimée en 3D est conçue pour se transformer au fil du temps, on parle d’impression 4D. Ces changements de géométrie peuvent être induits de plusieurs manières, les plus courantes étant la stimulation électrique, la chaleur et l’humidité. De nombreux objets imprimés en 4D sont préprogrammés pour se transformer en utilisant des couches et des plis placés intelligemment, qui peuvent se contracter et s’étendre pour donner l’effet souhaité.

Incidemment, nous pouvons en apprendre beaucoup sur les systèmes imprimés en 4D en nous inspirant de mère nature – l’évolution est l’un des meilleurs concepteurs, après tout.

Dans ce cas, l’équipe fribourgeoise s’est tournée vers la pomme de terre aérienne, une plante grimpante capable de grimper aux arbres en s’enroulant autour du tronc de l’hôte. Les pommes de terre aériennes font germer des excroissances appelées stipules, qui aident à tendre la tige sinueuse et à exercer une force de compression sur la plante hôte. Cela permet à la pomme de terre aérienne de se frayer un chemin jusqu’à son hôte, la rapprochant de cette lumière du soleil indispensable.

Une attelle de poignet auto-serrante imprimée en 4D

Dans le but d’imiter le mécanisme de mouvement de la pomme de terre aérienne, les chercheurs ont utilisé une stratégie de conception informatique qui impliquait d’imprimer sélectivement des «lignes de courbure» dans la géométrie de l’attelle elle-même. Comme les plis d’un morceau de papier, ces lignes de pliage sont conçues pour déterminer comment, où et à quel degré l’attelle se pliera lorsqu’elle sera exposée à l’humidité.

Le choix du matériau était également crucial ici, car l’actionnement de l’attelle ne serait possible qu’avec un matériau sensible à l’humidité. Pour cela, l’équipe a dû utiliser un composite bois-polymère qui absorbait et libérait facilement l’humidité.

La structure imprimée comprenait également plusieurs couches de gonflement et de stabilisation qui fonctionnent conjointement avec les lignes de pliage pour obtenir une forme d’hélice enroulée. De plus, l’équipe a imprimé des poches sur la surface de l’attelle, qui servent à pousser l’hélice vers l’extérieur pour créer une tension dans l’appareil, entraînant finalement la contraction de l’ensemble de l’attelle. Cela permet à l’appareil de se serrer autour du bras du porteur pour un ajustement personnalisé et confortable, offrant un soutien pour le poignet.

L’étude conclut : « En prouvant ce concept avec un prototype fonctionnel d’une orthèse courante, nous prévoyons que ce processus de conception pourrait permettre aux experts médicaux de concevoir physiquement, de prototyper et d’adapter des orthèses auto-ajustables sur mesure sans aucune connaissance spécialisée en numérique. la modélisation. »

De plus amples détails sur l’étude peuvent être trouvés dans l’article intitulé « Mécanismes de mouvement bio-inspirés : conception informatique et programmation matérielle des systèmes portables imprimés en 4D à ajustement automatique ». Il est co-écrit par Tiffany Cheng, Marc Thielen et al.

L'attelle de poignet est capable de se resserrer de manière adaptative autour du poignet du porteur.  Image via l'Université de Fribourg.
L’attelle de poignet est capable de se resserrer de manière adaptative autour du poignet du porteur. Image via l’Université de Fribourg.

Les applications de l’impression 4D vont bien au-delà du secteur médical, avec la robotique douce et l’électronique également sur les cartes. Une équipe de chercheurs de l’Université de Linköping, en Suède, a précédemment imprimé en 4D un ensemble de microactionneurs pour microrobots souples à l’aide d’une imprimante 3D basée sur l’extrusion sur mesure. Alors que les robots souples imprimés en 4D sont généralement limités à l’échelle centi- ou millimétrique, l’équipe a pu réduire les appareils imprimés au domaine du micron, atteignant des épaisseurs d’environ 20 microns.

Plus récemment, la société allemande d’impression 3D électronique Neotech AMT a annoncé un nouveau projet Penta soutenu par l’UE, AMPERE, qui vise à développer des processus de fabrication additive hybrides fiables et évolutifs pour produire des systèmes mécatroniques 4D multifonctionnels. Le projet se concentrera sur l’accélération de la fabrication 4D pour accélérer la production fiable de systèmes intelligents pour l’éclairage, l’électronique de signalisation et de puissance, etc.

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L’image présentée montre l’attelle de poignet imprimée en 4D. Image via l’Université de Fribourg.



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