Trois regardent les matériaux de demain

Regardez à l'intérieur des laboratoires de trois chercheurs du MIT dont les travaux pourraient changer la façon dont les ingénieurs conçoivent et construisent. Deux inventent de nouveaux matériaux et un développe des moyens de mettre à jour l'apparence des matériaux afin qu'ils puissent être rafraîchis au lieu d'être remplacés. L'ingénierie ne sera peut-être plus jamais la même.

Les cellules musculaires conçues par Ritu Raman se contractent en réponse à la lumière et pourraient conduire à des robots biologiques qui s'adaptent à leur environnement ou se réparent après un accident.

Ritu Raman frotte ses mains gantées avec de l'éthanol et atteint dans un incubateur de la taille d'un mini-réfrigérateur pour sortir un plateau de boîtes de Pétri. Les plats contiennent des échafaudages imprimés en 3D translucides en forme de U. Et sur ces squelettes de polymères, de petites bandes roses de cellules musculaires se développent.

Elle se dirige vers la pièce voisine, où une lumière à fibre optique peut être positionnée au-dessus de la vaisselle, émettant des impulsions de lumière bleue trop brillantes pour être regardées sans lunettes de sécurité. Raman explique que les cellules, qui proviennent d'une lignée dérivée à l'origine de souris, sont bio-conçues pour se contracter sous une telle lueur; la lumière pulsée agit comme un entraîneur personnel, les obligeant à faire de l'exercice. "Ils habitent là-bas, et puis ils viennent ici pour aller à la gym", plaisante-t-elle.

Au cours des deux dernières décennies, les ingénieurs ont expérimenté des matériaux biologiques, car la conception biohybride présente un avantage distinct par rapport à la construction en plastique ou en acier : les cellules vivantes peuvent croître, changer et s'adapter. Raman, professeure adjointe britannique (1961) et Alex (1949) en développement de carrière en génie mécanique, dirige un laboratoire axé sur la création de matériaux biologiques adaptatifs qui tirent parti de la capacité des cellules à détecter, traiter et réagir à leur environnement.

"Plusieurs choses peuvent changer lorsque vous faites de l'exercice", dit-elle. Certains types de fibres musculaires, par exemple, ne peuvent supporter que de petites charges, mais elles peuvent le faire pendant longtemps ; d'autres peuvent supporter une force beaucoup plus élevée mais se fatiguent facilement. Les fibres musculaires qui deviennent plus fortes dépendent du type d'exercice effectué par le muscle. Raman envisage un robot biohybride destiné à fonctionner à distance, alimenté par une "batterie" de sucre et d'acides aminés, qui pourrait être conçu pour développer les bons muscles pour le travail à accomplir et même se réparer en faisant repousser les pièces endommagées lors d'un accident ou d'une chute.

"Si je voulais qu'un robot traverse la pièce, qui est un environnement relativement contrôlé avec une température constante et tout le reste, je pourrais simplement construire un robot ordinaire à faible coût", dit-elle. "Mais dans un environnement dynamique et imprévisible, je ne sais peut-être pas à quel point il doit être fort ou quels dangers peuvent être présents. S'il est blessé, je ne pourrai pas aller le soigner, il doit donc être capable de récupérer et de s'adapter."

Raman a grandi en Inde, au Kenya et aux États-Unis, fille d'un ingénieur chimiste et d'un ingénieur en mécanique. Alors que ses parents travaillaient pour résoudre des problèmes du monde réel, elle a vu les avantages immédiats que l'ingénierie pouvait apporter ; elle se souvient d'avoir vu son père installer des tours de communication dans des villages ruraux. En tant que majeure en génie mécanique à Cornell, elle a suivi au hasard un cours de biomécanique et a été immédiatement accro. "C'était le premier manuel que j'ai vraiment aimé lire de toute ma vie", dit-elle.

Non pas que la biologie ait toujours été amusante. En tant qu'assistante de laboratoire, elle a travaillé dans un laboratoire qui mesurait comment l'alcool et l'exercice physique affectaient les rats. "J'étais dans un sous-sol avec des rats ivres sur des tapis roulants qui ne voulaient pas courir", dit-elle. "C'était terrible!" Peu à peu, cependant, elle est devenue fascinée par la façon dont le corps et le comportement des animaux ont changé en réponse à leur environnement inhabituel : "J'étais comme, celui-là est si gros, celui-là est fort, et celui-là a appris à faire fonctionner le tapis roulant pour qu'il n'ait pas à courir. Rien de ce que nous pouvons construire ne correspond à la façon dont les systèmes vivants sont intelligents et adaptatifs."

Raman transfère le milieu de culture cellulaire liquide (à gauche) dans un flacon de cellules vivantes. Ses cellules musculaires artificielles sont déclenchées par des flashs lumineux pour se contracter ou "faire de l'exercice".

Raman a continué à explorer comment les systèmes vivants s'adaptent dans ses études de doctorat à l'Université de l'Illinois, où elle a participé à des travaux financés par une importante subvention de la National Science Foundation pour examiner comment les muscles pouvaient se développer et se guérir. Normalement, les cellules musculaires se contractent en réponse aux signaux électriques envoyés par les nerfs à travers un canal ionique voltage-dépendant dans la membrane cellulaire. Raman voulait plutôt développer des cellules musculaires qui se contracteraient en réponse à la lumière. Elle a donc collaboré avec Roger Kamm, SM '73, PhD '77, professeur de génie biologique et mécanique au MIT, et a utilisé le génie génétique pour insérer dans les cellules musculaires de souris un canal ionique photosensible que d'autres avaient développé à partir de cellules d'algues vertes. Elle a montré qu'en faisant briller une lumière sur les cellules à intervalles réguliers pour les inciter à se contracter et à se relâcher à plusieurs reprises, elle pouvait les rendre plus fortes et se remettre des dommages.

Lors d'un post-doctorat au MIT avec le pionnier de la bio-ingénierie Robert Langer, elle l'a démontré chez un animal vivant. Après avoir retiré un morceau de muscle de la jambe d'une souris, elle a implanté le muscle sensible à la lumière sur le site de la blessure et l'a stimulé à faire de l'exercice en faisant briller la lumière à travers la peau. "Les souris ont complètement retrouvé leur mobilité une semaine après les dégâts", dit-elle.

Depuis qu'elle a rejoint la faculté du MIT à l'automne 2021, elle a commencé à travailler sur l'optimisation des programmes d'exercices nécessaires pour développer les muscles les mieux adaptés à des tâches particulières - et à déterminer comment contrôler ce processus en manipulant des éléments tels que la luminosité et la synchronisation des impulsions lumineuses. Son laboratoire expérimente également d'autres moyens de contrôler les cellules musculaires, notamment l'intégration de neurones dans les tissus pour imiter la façon dont ils sont contrôlés dans un organisme.

À terme, elle serait intéressée par le développement d'outils robotiques souples actionnés par les muscles qui seraient plus précis que les outils métalliques sur lesquels les chirurgiens s'appuient actuellement. Des robots plus grands faits de cellules vivantes pourraient fonctionner dans des environnements difficiles et faire des choses comme ramper autour d'un système de filtration d'eau pour éliminer les sources de contamination. "Imaginez que le robot puisse transporter d'autres cellules qui produisent des produits chimiques ou des protéines pour neutraliser une toxine", explique Raman. "Il ne s'agit donc pas seulement de mouvement, il s'agit également de ressentir et de réagir d'autres manières."

"Nous n'essayons pas de remplacer les matériaux avec lesquels les ingénieurs construisent généralement", dit-elle. Au contraire, elle souhaite que la prochaine génération considère les cellules vivantes comme quelque chose d'autre qu'elles peuvent utiliser.

Stefanie Mueller imagine un monde où vous pourriez changer la couleur de vos chaussures aussi facilement que vous changez un avatar numérique.

Lorsque vous êtes à la recherche d'une nouvelle voiture, vous pouvez souvent aller en ligne pour "peindre" virtuellement une couleur différente pour voir celle que vous préférez. Et si vous pouviez faire cela dans la vraie vie et changer la couleur de votre voiture en fonction de votre humeur ? Stefanie Mueller, TIBCO Career DevelopmentAssociate Professor of EECS avec une nomination conjointe en génie mécanique, s'efforce de rendre cela possible. "La vision principale de notre laboratoire", explique Mueller, "est de donner aux objets physiques des capacités numériques".

Mueller, qui dirige le groupe d'ingénierie de l'interaction homme-machine du MIT, a mis au point une technique utilisant des encres activées par la lumière, appelées colorants photochromiques, qui pourraient changer la couleur d'un objet en quelques minutes. Assise sur un canapé en cuir noir dans son bureau du Stata Center, elle sort une vidéo pour faire une démonstration. Un modèle imprimé en 3D d'un caméléon se trouve dans une vitrine en verre. Lorsqu'un projecteur l'éclaire, un motif zébré blanc et marron cède la place à un damier multicolore.

"C'est le même objet", dit-elle. "Nous pulvérisons notre matériau intelligent dessus avec un aérographe, puis une fois qu'il est allumé, vous projetez de la lumière dessus et pouvez reprogrammer son apparence." Le motif de couleur ne disparaît pas lorsque la lumière cesse de briller ; il reste jusqu'à 26 heures, ou jusqu'à ce qu'un nouveau soit projeté. L'accent de Mueller n'est pas tant sur la création de nouveaux matériaux - les colorants photochromiques existent depuis des décennies - que sur le développement de nouveaux procédés et techniques pour créer de nouveaux effets éblouissants avec ceux existants.

Cette technique, qu'elle appelle Photo-Chromeleon, utilise des colorants photochromiques en jaune, cyan et magenta. "C'est similaire au fonctionnement de votre imprimante à jet d'encre", explique Mueller. Les colorants photochromiques peuvent être activés (s'ils sont exposés à la lumière UV) ou désactivés (s'ils sont exposés à la lumière d'une longueur d'onde spécifique dans le spectre visible). Les trois colorants sont mélangés dans une laque transparente qui est appliquée à l'aérographe sur un objet. Pour créer un motif multicolore, les trois colorants sont activés avec de la lumière UV, rendant l'objet noir. Ensuite, les colorants sont sélectivement désactivés en faisant briller une lumière de longueurs d'onde spécifiques sur la surface teinte. Étant donné que les longueurs d'onde de la lumière rouge, verte et bleue désactivent respectivement le cyan, le magenta et le jaune, un projecteur de bureau standard avec des LED rouges, vertes et bleues peut être utilisé pour contrôler les trois colorants. Par exemple, la LED rouge désactive le cyan, laissant le magenta et le jaune, qui se combinent pour créer du rouge. En projetant des pixels de lumière rouge, verte et bleue sur un objet, Mueller peut le « peindre » avec une très haute résolution. Et ajuster la durée d'exposition aux différentes longueurs d'onde permet d'obtenir des couleurs intermédiaires. Le processus pourrait être utilisé avec une gamme d'objets, y compris des étuis pour smartphones, des chaussures et des t-shirts.

Bien qu'actuellement la couleur s'estompe en quelques heures lorsqu'elle est exposée au soleil, l'équipe de Mueller travaille sur l'intégration de minuscules LED dans un substrat flexible pour créer des textiles qui pourraient préserver les motifs en rafraîchissant les particules photochromiques.

Mueller envisage une époque où nous n'aurions pas besoin d'acheter de nouvelles choses pour changer notre style. "À l'avenir, une entreprise de chaussures vous offrira peut-être une chaussure gratuitement", dit-elle, "mais vous obtiendrez un abonnement à une application et téléchargerez des modèles" - des modèles que vous pourrez appliquer à la chaussure. (Son laboratoire développe un reprogrammeur portable qui pourrait être utilisé n'importe où pour rafraîchir ou mettre à jour les conceptions.) En plus de permettre aux gens de changer de style aussi facilement qu'ils changent d'avatar numérique, la technologie pourrait également réduire le gaspillage.

"En ce moment, les entreprises gagnent de l'argent en mettant à jour une tendance afin que vous achetiez plus de choses, car elles ne peuvent plus gagner d'argent avec le même article", déclare Mueller. Ce processus, cependant, renverserait leurs incitations, rendant plus lucratif de ne pas fabriquer quelque chose de nouveau. "Ils pourraient créer la nouvelle tendance en vous vendant simplement un modèle à débloquer. Ils n'ont pas à vous donner quelque chose de nouveau physiquement."

Mueller, qui a grandi en Allemagne et a étudié l'informatique à l'Institut Hasso Plattner de Potsdam, travaillait sur son doctorat au début des années 2010 lorsque des imprimantes 3D bon marché sont arrivées sur le marché. Elle est devenue fascinée par l'idée de pirater les machines pour faire des choses comme imprimer avec différents matériaux. Cela l'a amenée à réfléchir à la façon dont les matériaux eux-mêmes pourraient être modifiés pour donner aux objets physiques de nouvelles capacités. Le laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL) du MIT, qu'elle a rejoint en 2017, était la solution idéale, compte tenu de sa nature interdisciplinaire.

Dans la technique "Photo-Chromeleon" de Mueller, la lumière projetée peut être utilisée pour contrôler l'apparence d'un objet recouvert d'un mélange de colorants photochromiques. (PHOTOS AVEC L'AIMABLE AUTORISATION DU CHERCHEUR)

Pour fabriquer ses objets aux couleurs changeantes, par exemple, "vous devez développer le matériau, le placer sur des objets et créer un algorithme qui calcule combien de temps vous devez faire briller la lumière sur chaque pixel. Vous avez donc besoin de ces trois composants. du matériel, des matériaux et des algorithmes ", dit-elle. "Si vous en manquez un, ça ne marchera pas."

Une autre technique que Mueller et ses étudiants diplômés sont en train de prototyper utilise un film biréfringent, qui change d'apparence en fonction de la polarisation de la lumière. "Cela semble vraiment chic, mais c'est fondamentalement comme un emballage alimentaire", dit-elle. En superposant ce film selon des motifs spécifiques, puis en appliquant un filtre polarisant similaire à ceux des lunettes de soleil, son groupe peut créer des objets qui changent d'apparence lorsqu'un cadran est tourné. Par exemple, une carte ou un modèle anatomique peut prendre différentes couleurs à des fins pédagogiques.

D'autres projets encore incluent le développement d'interfaces utilisateur qui peuvent être pulvérisées sur des surfaces. En superposant une encre métallique conductrice, un diélectrique, un phosphore, du cuivre et un conducteur transparent, ils créent des capteurs et des affichages tels qu'un gradateur que les gens peuvent actionner en passant une main le long du mur. "Ils pourraient l'utiliser comme curseur pour régler la couleur ou la luminosité", explique Mueller. Un matériau conducteur transparent appliqué sur les coussins d'un canapé peut détecter quand quelqu'un s'assoit dessus. Dans un projet, cela déclenche l'ouverture d'un album photo sur un écran à proximité, qui défile en glissant une main au-dessus d'électrodes transparentes pulvérisées sur le bras du canapé.

Comme la plupart des projets que Mueller choisit de poursuivre, ceux-ci amènent les choses que vous pouvez faire sur un ordinateur dans le domaine physique. Mais d'une manière plus générale, elle est toujours à la recherche d'un facteur "wow". « Si vous regardez un projet et que vous vous dites : « Wow, je peux vraiment voir comment cela change le monde », alors même si vous ne le comprenez pas, vous voulez en savoir plus », dit-elle. "Nous essayons de sélectionner des idées qui ont une grande vision derrière elles, qui attireront d'abord les gens pour qu'ils puissent en profiter. Ensuite, nous pourrons parler de tous les détails scientifiques et techniques."

Les matériaux conçus avec précision à l'échelle nanométrique pourraient avoir des applications passionnantes, s'ils sont suffisamment mis à l'échelle pour fabriquer des objets utiles. Carlos Portela développe de nouveaux matériaux et techniques pour les fabriquer à l'échelle macro.

Si vous laissez tomber une tasse en céramique sur le sol, il y a de fortes chances qu'elle se casse. Cependant, lorsque le même matériau céramique est extrêmement fin, quelque chose d'étrange se produit, comme Carlos Portela peut le démontrer avec une vidéo. Sur son écran se trouve un cube de seulement 120 micromètres de côté - les coquilles d'œufs sont épaisses en comparaison - constitué d'un réseau de coquilles en céramique interconnectées. Portela, professeur adjoint britannique (1961) et Alex (1949) d'Arbeloff en développement de carrière en génie mécanique, pointe du doigt l'un des murs de la coque. "Ce n'est que 11 nanomètres d'épaisseur", dit-il. Cela équivaut à environ 30 atomes de large. "Je vais compresser [le cube] à la moitié de sa hauteur", ajoute-t-il. « Qu'attendriez-vous de la céramique ?

Toute personne raisonnable s'attendrait à ce qu'il se brise en cent morceaux. Mais lorsqu'une charge comprime le cube, il se déforme et se plisse comme une éponge ; lorsque la charge est retirée, le cube reprend sa forme. "C'est fondamentalement le même matériau qu'une tasse à café", dit Portela avec un sourire, en désignant une sur son bureau. "Et remarquablement, nous ne voyons même pas de fissures." C'est comme une substance entièrement nouvelle.

Dans toute l'histoire de l'humanité, les matériaux avec lesquels nous avons construit - roche, métal, céramique, plastique et mousse - ont eu une gamme relativement limitée de caractéristiques physiques, dit Portela. Pour obtenir une propriété désirable, les constructeurs doivent souvent faire des compromis sur une autre. Les matériaux durs ne sont pas très légers, par exemple, et les matériaux légers ne sont pas très rigides.

Au cours de la dernière décennie, cependant, les ingénieurs ont commencé à concevoir à l'échelle nanométrique pour créer de nouveaux matériaux qui combinent des propriétés souhaitables jamais trouvées ensemble auparavant. Appelés matériaux architecturés ou métamatériaux, ce sont des combinaisons de matériaux aux propriétés bien connues, comme les céramiques et les polymères. Mais manipuler la façon dont ils sont construits à l'échelle nanométrique les fait se comporter complètement différemment de leurs précurseurs familiers. Portela dit que les structures en carbone pourraient être à la fois solides et absorbant l'énergie, et que les matériaux métalliques pourraient être conçus pour être super légers. D'autres matériaux pourraient être conçus pour agir comme des lentilles capables de focaliser les ondes acoustiques. Étant donné que le plus grand facteur limitant pour les avions et les fusées est le poids des matériaux avec lesquels ils sont construits, de nouveaux matériaux à la fois solides et légers pourraient augmenter considérablement la distance qu'ils peuvent parcourir avec une quantité donnée de carburant.

Un modèle d'avion en argent dans la fenêtre de Portela donnant sur Killian Court témoigne de son amour précoce pour les avions. Ayant grandi en Colombie, il voulait devenir pilote. Il a étudié l'ingénierie aérospatiale à l'Université de Californie du Sud et a obtenu sa licence de pilote, mais en tant qu'étudiant international, il a eu du mal à obtenir un stage dans une grande compagnie aéronautique. À ce moment-là, il était devenu fasciné par le potentiel de la nano-ingénierie et est entré dans un programme de doctorat sur le sujet à Caltech, où il a étudié avec Julia Greer '97, une pionnière des matériaux architecturés. Greer expérimentait l'utilisation d'imprimantes 3D finement calibrées pour créer des réseaux complexes à l'échelle nanométrique qui pourraient devenir des matériaux dotés de nouvelles propriétés. "Son énergie et sa passion pour cela étaient contagieuses", a déclaré Portela. "Cela m'a fait dire:" Je veux faire ça. ""

Cependant, aussi révolutionnaires que soient les techniques, elles sont également limitées. Une imprimante peut mettre des semaines, voire des mois, à imprimer un cube de quelques millimètres d'épaisseur, ce qui rend fastidieuse la conception et la création de nouveaux objets. "Les applications réelles nécessitent que vous fabriquiez un nanomatériau suffisamment grand pour tenir dans vos mains", explique Portela. C'est là que ses recherches entrent en jeu. Il a développé de nouvelles techniques pour fabriquer des matériaux architecturés, dont certains n'impliquent pas du tout d'imprimante 3D.

Dans une technique, il puise dans les propriétés naturelles des matériaux eux-mêmes en mélangeant deux polymères pour former une émulsion, semblable à secouer l'huile et l'eau ensemble. Au fur et à mesure que la chaleur est appliquée pour que les deux polymères recommencent à se séparer, ils forment naturellement un motif entrelacé à l'échelle microscopique. En les solidifiant à ce moment-là, puis en utilisant de l'eau pour éliminer l'un des polymères, il peut créer un réseau irrégulier tout aussi complexe - et, étonnamment, tout aussi solide - qu'un réseau imprimé avec précision. "Nous pouvons le faire en quelques heures, pas en mois", déclare Portela. Puis il enduit sa structure d'un film ultrafin de céramique par dépôt de couche atomique, qui consiste à l'exposer alternativement aux vapeurs de deux réactifs chimiques différents. Le polymère restant est ensuite généralement retiré de la structure revêtue de céramique en l'exposant à un plasma d'oxygène, ce qui le fait se décomposer, ne laissant que la coque céramique solide et poreuse. Portela dit que ses échantillons centimétriques créés avec cette technique sont parmi les plus grands nanomatériaux 3D auto-assemblés jamais fabriqués.

Pour créer un matériau en carbone solide mais léger, Portela imprime en 3D un réseau polymère, qui subit ensuite une pyrolyse : il est chauffé à des températures supérieures à 1 500 °C dans une atmosphère inerte, qui brûle pratiquement tout sauf ses atomes de carbone. Cela se traduit par une perte de masse d'environ 90 % et une augmentation d'au moins dix fois de la rigidité, créant de nouveaux matériaux solides mais poreux. Portela a également créé des échantillons de matériaux de carbone imprimés et pyrolysés micro-architecturés à l'échelle du centimètre cube. Et il travaille sur des objets encore plus grands.

Le groupe de Portela construit certains de leurs matériaux architecturés à l'aide d'une imprimante 3D à résolution nanométrique hébergée dans MIT.nano, une installation brillante de 100 000 pieds carrés achevée en 2018. Et ils s'appuient sur l'équipement de MIT.nano pour le dépôt de couche atomique et utilisent ses microscopes électroniques pour capturer la vidéo pendant qu'ils testent leurs matériaux. Les matériaux auto-assemblés, quant à eux, sont fabriqués dans le propre laboratoire de Portela dans le bâtiment 31, où lui et ses étudiants diplômés effectuent des tests mécaniques supplémentaires et exécutent des simulations informatiques pour prédire les propriétés des matériaux qu'ils créent. Ils utilisent également les microscopes confocaux laser de l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT pour les tests d'impact. Dans une expérience, son groupe a tiré des particules supersoniques sur un réseau d'acier au carbone, montrant qu'il était 70 % plus efficace que le Kevlar pour arrêter les impacts. Cela ouvre des possibilités pour une nouvelle forme de gilet pare-balles ultraléger.

Portela collabore également avec son collègue Ritu Raman, dont le bureau est voisin du sien, sur des matériaux architecturés qui intègrent des composants biologiques. Ils espèrent un jour développer des matériaux qui pourraient imiter plus étroitement les propriétés physiques de la peau et des tissus humains, qui doivent être à la fois souples et résistants. Pendant ce temps, Portela en est aux premiers stades de la création de matériaux légers avec des applications potentielles comme la construction aéronautique, ainsi que des métamatériaux qui pourraient être utilisés pour créer des systèmes de filtration ultra-efficaces et des appareils à ultrasons plus efficaces.

Son groupe s'attaque à des questions auxquelles personne n'a essayé de répondre auparavant car, dit-il, "ils n'ont pas eu les bons moyens expérimentaux pour le faire".

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai/juin 2023.

"J'ai soudainement changé d'avis sur la question de savoir si ces choses vont être plus intelligentes que nous."

Le récit autour des étudiants infidèles ne raconte pas toute l'histoire. Rencontrez les enseignants qui pensent que l'IA générative pourrait réellement améliorer l'apprentissage.

L'attrait de l'outil de travail s'étend bien au-delà de l'organisation de projets de travail. De nombreux utilisateurs trouvent qu'il est tout aussi utile pour gérer leur temps libre.

Historiquement, les efforts d'apprentissage du codage ont offert des opportunités à quelques-uns, mais de nouveaux efforts visent à être inclusifs.

Découvrez les offres spéciales, les meilleures histoires, les événements à venir et plus encore.

Merci d'avoir soumis votre e-mail !

On dirait que quelque chose s'est mal passé.

Nous rencontrons des difficultés pour enregistrer vos préférences. Essayez d'actualiser cette page et de les mettre à jour une fois de plus. Si vous continuez à recevoir ce message, contactez-nous à l'adresse [email protected] avec une liste des newsletters que vous souhaitez recevoir.