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Cette façade autonome s'adapte au climat comme une pomme de pin

Cette façade autonome s’adapte au climat comme une pomme de pin

par La rédaction
17 janvier 2025
en Habitat, Isolation

La question de l’efficacité énergétique dans le design architectural se pose avec une acuité particulière. Comment pouvons-nous concevoir des bâtiments qui s’adaptent à leur environnement sans consommer d’énergie supplémentaire? Les chercheurs des universités de Stuttgart et de Freiburg offrent une réponse innovante en s’inspirant de la nature pour créer des façades autonomes et réactives.

Un système de façade bio-inspiré

Les chercheurs ont développé un nouveau système de façade nommé «Solar Gate». Leur innovation réside dans l’adaptation passive aux conditions météorologiques, sans besoin d’énergie opérationnelle ou de composants mécatroniques. Leur système utilise le comportement des cônes de pin comme modèle pour une réaction aux variations d’humidité et de température.

Le projet a été publié dans la revue Nature Communications. « La plupart des tentatives de réactivité météorologique dans les façades architecturales dépendent fortement de dispositifs techniques élaborés. Notre recherche explore comment nous pouvons exploiter la réactivité du matériau lui-même grâce à un design computationnel avancé et à la fabrication additive, » a déclaré le professeur Achim Menges, chef de l’Institut pour le Design et la Construction Computationnelle (ICD) et porte-parole du Cluster d’Excellence pour le Design et la Construction Computationnelle Intégrative pour l’Architecture (IntCDC) à l’Université de Stuttgart. Il a ajouté : « Nous obtenons un système d’ombrage qui s’ouvre et se ferme de manière autonome en réponse aux changements météorologiques, sans nécessiter d’énergie opératoire ou de composants mécatroniques. La structure biomatérielle elle-même est la machine. »

Des matériaux hygromorphiques et de l’impression 4D

La cellulose, matériau naturel, abondant et renouvelable, est au cœur de cette innovation. Elle possède une propriété appelée hygromorphisme, qui permet l’expansion et la contraction selon les variations d’humidité. Les chercheurs ont exploité cette propriété en fabriquant des fibres de cellulose biobasées et en les imprimant en 4D pour créer une structure bilaminaire inspirée des écailles des cônes de pin.

Inspirée par les écailles des pommes de pin, la structure bicouche est fabriquée à l'aide d'un processus d'impression 4D avec des matériaux cellulosiques.
Inspirée par les écailles des pommes de pin, la structure bicouche est fabriquée à l’aide d’un processus d’impression 4D avec des matériaux cellulosiques. Image : ICD/IntCDC Université de Stuttgart

Grâce à l’impression 4D, les systèmes matériels produits peuvent changer de forme de manière autonome en réponse à des stimuli externes. Pour le «Solar Gate», les chercheurs ont mis au point une méthode de fabrication computationnelle pour contrôler l’extrusion des matériaux cellulosiques à l’aide d’une imprimante 3D standard. Cela permet de tirer parti du comportement auto-formant et réversible du système matériel imprimé en 4D. À haute humidité, les matériaux cellulosiques absorbent l’humidité et s’étendent, ce qui fait que les éléments imprimés se recourbent et s’ouvrent. À faible humidité, ils libèrent l’humidité et se contractent, faisant que les éléments imprimés s’aplatissent et se ferment.

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Le professeur Thomas Speck, chef du groupe de Biomécanique des Plantes à Freiburg et porte-parole du Cluster d’Excellence pour les Systèmes de Matériaux Vivants, Adaptatifs et Autonomes en Énergie (livMatS) à l’Université de Freiburg, a commenté : «Inspiré par les mouvements hygroscopiques des écailles des cônes de pin et des bractées du chardon argenté, Solar Gate a réussi à traduire non seulement la haute fonctionnalité et la robustesse des modèles biologiques dans un système d’ombrage bio-inspiré, mais aussi l’esthétique des mouvements végétaux. On peut le voir comme la ‘voie royale de la bionique’, car tout ce qui nous fascine chez les générateurs de concepts biologiques a également été réalisé dans le produit architectural bio-inspiré.»

Une intégration architecturale et des tests en conditions réelles

Le système d’ombrage adaptatif a été testé pour sa fonctionnalité et sa durabilité sous des conditions météorologiques réelles pendant plus d’un an. Leur installation sur la Coque Biomimétique livMatS, un démonstrateur de bâtiment du Cluster d’Excellence IntCDC et du Cluster d’Excellence livMatS, a permis d’évaluer l’intégration dans un contexte architectural réel. Le «Solar Gate» a été placé sur le puits de lumière orienté au sud, aidant à réguler le climat intérieur du bâtiment. En hiver, les éléments d’ombrage s’ouvrent pour permettre l’entrée de la lumière solaire pour un chauffage naturel. En été, ils se ferment pour minimiser la radiation solaire.

Grâce à l’impression 4D bioinspirée et à des matériaux cellulosiques biosourcés, l’équipe de recherche a mis au point un système d’ombrage adaptatif qui réagit aux changements météorologiques quotidiens et saisonniers. Image : ICD/IntCDC Université de Stuttgart

Ce processus adaptatif, alimenté uniquement par les cycles météorologiques journaliers et saisonniers, fonctionne sans aucune alimentation énergétique électrique, offrant une alternative autonome en énergie et efficace en ressources par rapport aux systèmes d’ombrage conventionnels. Les bâtiments représentant une part importante des émissions de carbone mondiales en raison de l’énergie nécessaire pour maintenir le confort intérieur, la réduction de l’énergie requise pour le chauffage, le refroidissement et la ventilation est primordiale. Le «Solar Gate» met en lumière le potentiel de technologies accessibles et économiques comme la fabrication additive et montre comment la cellulose, matériau abondant et renouvelable, peut contribuer à des solutions architecturales durables.

Légende illustration : Le système d’ombrage adaptatif et auto-ajustable « Solar Gate » contribue à la régulation climatique des bâtiments. Crédit : ICD/IntCDC Universität Stuttgart

Article : ‘Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic 4D-printing’ / ( 10.1038/s41467-024-54808-8 ) – Universitaet Stuttgart – Publication dans la revue Nature Communications

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Tags: architecturebioniquecellulosehumidite
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Pine cones as a model: Researchers at the universities of Stuttgart and Freiburg have developed a new, energy-autonomous facade system that adapts passively to the weather. The journal Nature Communications has published the research results.

"Most attempts at weather responsiveness in architectural facades rely heavily on elaborate technical devices. Our research explores how we can harness the responsiveness of the material itself through advanced computational design and additive manufacturing," says Professor Achim Menges, head of the Institute for Computational Design and Construction (ICD) and spokesperson for the Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) at the University of Stuttgart. "We are achieving a shading system that opens and closes autonomously in response to changes in the weather, without the need for operational energy or any mechatronic elements. The bio-material structure itself is the machine."

Using bioinspired design, natural materials, and widely accessible technologies, researchers at the universities of Stuttgart and Freiburg have developed the "Solar Gate" facade system – the first weather-responsive, adaptive shading system that operates without electrical energy. The scientists used the movement mechanisms of pine cones as a model for the "Solar Gate", which opens and closes in response to changes in humidity and temperature without consuming any metabolic energy. The team succeeded in replicating the anisotropic (direction-dependent) structure of cellulose in plant tissues using standard 3D-printers. The research results have been published in the journal Nature Communications.

Biobased hygromorphic materials and bioinspired 4D-printing

Cellulose is a natural, abundant, and renewable material that swells and shrinks with variations in humidity. This property, known as hygromorphism, is frequently observed in nature, for example in the opening and closing of the scales of pine cones or the inflorescences of the silver thistle. The research team leveraged this hygromorphic property by custom-engineering biobased cellulose fibers and 4D-printing them into a bilayered structure inspired by the scales of the pine cone.

Material systems produced by this additive manufacturing technique called 4D-printing can autonomously change their shape in response to external stimuli. For the "Solar Gate," the researchers developed a computational fabrication method to control the extrusion of cellulosic materials using a standard 3D-printer, making it possible to harness the self-shaping and reversible behavior of the 4D-printed material system. In high humidity, the cellulosic materials absorb moisture and expand, causing the printed elements to curl and open. Conversely, in low humidity, the cellulosic materials release moisture and contract, causing the printed elements to flatten and close.

“Inspired by the hygroscopic movements of the scales of pine cones and the bracts of silver thistle, Solar Gate has succeeded in translating not only the high functionality and robustness of biological models into a bioinspired shading system but also the aesthetics of plant movements. This can be seen as the ‘royal road of bionics’, as everything that fascinates us about the biological concept generators has also been realized in the bio-inspired architectural product,” says Professor Thomas Speck, head of the Plant Biomechanics Group Freiburg and spokesperson for the Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) at the University of Freiburg.

Architectural integration of self-shaping elements

The research team tested the functionality and durability of the bioinspired adaptive shading system under real weather conditions for over a year. The "Solar Gate" was then installed on the livMatS Biomimetic Shell, a building demonstrator of the Cluster of Excellence IntCDC and the Cluster of Excellence livMatS, which serves as a research building of the University of Freiburg. The shading system has been installed on its south-facing skylight, which assists in the indoor climate regulation of the building. During winter, the 4D-printed shading elements open to allow sunlight in for natural heating. In summer, they close to minimize solar radiation. Powered solely by daily and seasonal weather cycles, this adaptive process operates without any electrical energy supply.

The "Solar Gate" thus represents an energy-autonomous and resource-efficient alternative to conventional shading systems. As buildings account for a significant proportion of global carbon emissions due to the typically high energy needed to maintain indoor comfort, reducing the energy required for heating, cooling and ventilation is of high importance. The "Solar Gate" highlights the potential of accessible, cost-effective technologies such as additive manufacturing and shows how cellulose, as an abundant, renewable material, can contribute to sustainable architectural solutions.

Project partners
The “Solar Gate” has been collaboratively developed by the Institute of Computational Design and Construction (ICD), Institute for Plastics Technology (IKT), and the Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) at the University of Stuttgart, together with the Plant Biomechanics Group, Department for Microsystems Engineering (IMTEK), and the Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) at the University of Freiburg.

Publication
Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E.S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., Menges, A.: 2024, Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic 4D-printing. Nature Communications, vol. 15, no. 1. (DOI: 10.1038/s41467-024-54808-8)

Journal

Nature Communications

DOI

10.1038/s41467-024-54808-8

Method of Research

Computational simulation/modeling

Subject of Research

Not applicable

Article Title

Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic 4D-printing

Article Publication Date

28-Nov-2024

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