L’origami, l’art du pliage du papier né au Japon il y a des siècles, pourrait ouvrir une nouvelle frontière dans le domaine des matériaux innovants, grâce à des recherches menées à l’université du Michigan.
En tant qu’art, l’origami utilise des techniques de pliage simples pour créer des motifs complexes. Aujourd’hui, les chercheurs étudient cette technique pour en faire le fondement de la prochaine génération de matériaux qui se déforment et se « plient » de manière prévisible sous l’effet des forces appropriées. Ces matériaux pourraient être utilisés dans un grand nombre d’applications, notamment les chaussures de course, les stents cardiaques et les ailes d’avion.
« L’origami a fait l’objet d’une grande attention au cours de la dernière décennie en raison de sa capacité à déployer ou à transformer des structures », a commenté James McInerney, auteur principal de la nouvelle étude, qui a effectué le travail en tant que chercheur postdoctoral à l’université du Michigan. M. McInerney est aujourd’hui associé de recherche du Conseil national de la recherche au Laboratoire de recherche de l’armée de l’air.
« Notre équipe s’est demandé comment différents types de plis pouvaient être utilisés pour contrôler la façon dont un matériau se déforme lorsque différentes forces et pressions lui sont appliquées ».
McInerney et ses collègues ont introduit une nouvelle façon de modéliser les plis afin de mieux comprendre comment ils peuvent contrôler les propriétés d’un matériau, ce qui est un problème faussement compliqué.
En principe, l’idée s’apparente à la façon dont un morceau de carton froissé se plie de manière plus prévisible qu’un morceau vierge qui pourrait se déformer de toutes sortes de façons sous l’effet de la pression. En introduisant des plis, les chercheurs peuvent donc régler la façon dont les matériaux réagissent à la force. Les applications de ce type de contrôle sont vastes, selon M. McInerney.
« Il existe toute une série de scénarios allant de la conception de bâtiments, d’avions et de navires de guerre à l’emballage et à l’expédition de marchandises, où l’on tend à trouver un compromis entre l’amélioration des capacités de charge et l’augmentation du poids total », a déclaré M. McInerney. « Notre objectif final est d’améliorer les conceptions porteuses en ajoutant des plis inspirés de l’origami, sans ajouter de poids ».
Récemment publiée dans Nature Communications, l’étude comprend également Zeb Rocklin, conseiller doctoral de M. McInerney à l’Institut de technologie de Géorgie, Xiaoming Mao, professeur de physique à l’université du Michigan, Glaucio Paulino de l’université de Princeton et Diego Misseroni de l’université de Trente.
D’une manière générale, cet origami est un exemple de « métamatériaux », c’est-à-dire de matériaux d’ingénierie dont les nouvelles propriétés sont obtenues en programmant la structure plutôt que les ingrédients chimiques », a indiqué M. Mao. « La géométrie du pliage, simple à réaliser en pratique, confère à un morceau de papier des propriétés totalement nouvelles. Bien que les matériaux plats, comme les feuilles de papier, soient assez faciles à conceptualiser, leur comportement sous l’effet de la force est complexe. »
« Si je tire sur l’une des extrémités d’une feuille de papier, elle est solide, elle ne se sépare pas », a fait savoir Zeb Rocklin, professeur agrégé de physique à Georgia Tech. « Mais elle est également flexible. Elle peut se froisser et onduler en fonction de la façon dont je la déplace. C’est un comportement très différent de celui que l’on peut observer dans un solide conventionnel, et très utile ».
L’introduction de plis peut « programmer » les matériaux pour qu’ils se comportent d’une certaine manière, mais déterminer comment et quand faire ces plis est un défi, même pour la physique moderne.
« Avec ces matériaux, il est souvent difficile de prédire ce qui va se passer – comment le matériau va se déformer sous l’effet de la pression, car il peut se déformer de nombreuses manières différentes », a déclaré M. Rocklin. « Les techniques physiques conventionnelles ne peuvent pas résoudre ce type de problème, c’est pourquoi nous continuons à trouver de nouvelles façons de caractériser les structures au XXIe siècle. »
Lorsqu’ils étudient les matériaux inspirés de l’origami, les physiciens partent d’une feuille plate qu’ils plient soigneusement pour créer une forme tridimensionnelle spécifique. Mais cette méthode est limitée. Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont modélisé que le pliage basé sur le parallélogramme, qui utilise des formes telles que les carrés et les rectangles, ce qui permet des types de déformation limités.
Rocklin, McInerney et leurs collègues se sont donc tournés vers les trapèzes, qui n’ont qu’un seul ensemble de côtés parallèles. L’introduction de ces formes plus variables rend ce type de froissement plus difficile à modéliser, mais plus polyvalent.
« Nos modèles et nos tests physiques nous ont permis de constater que les faces trapézoïdales suscitent des réactions d’une toute autre nature », explique M. McInerney. Et ces réponses conduisent à de nouvelles fonctionnalités, a-t-il ajouté.
Les modèles avaient la capacité de changer de forme de deux manières distinctes : la « respiration » en se dilatant et en se contractant régulièrement, et le « cisaillement » en se déformant dans un mouvement de torsion.
De manière surprenante, l’équipe a également constaté qu’une partie du comportement des origamis à base de parallélogrammes se retrouvait dans les origamis trapézoïdaux, ce qui laisse supposer que certaines caractéristiques pourraient être universelles dans tous les modèles.
« Bien que notre recherche soit théorique, ces résultats pourraient nous donner plus de possibilités de déploiement et d’utilisation de ces structures », a conclu M. Rocklin. « Il s’agit d’un problème très difficile, mais la biologie et la nature regorgent de solides intelligents, y compris notre propre corps, qui se déforment de manière spécifique et utile en cas de besoin. C’est ce que nous essayons de reproduire avec l’origami ».
Légende illustration : Des recherches menées à l’université du Michigan ont permis de modéliser la façon dont différentes structures d’origami constituées de sous-unités trapézoïdales (i) réagissaient à des contraintes telles que la compression (ii) et l’étirement (iii). Crédit d’image : Adapté de J.P. McInerney et al. Nat. Commun. 2025, DOI : 10.1038/s41467-025-57089-x (Utilisé sous licence CC-BY-NC-ND 4.0)
Article : « Coarse-grained fundamental forms for characterizing isometries of trapezoid-based origami metamaterials » – DOI: 10.1038/s41467-025-57089-x
