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Le 31.05.2017
Par :
Damien Waltisperger - Citizen Press

Comment les matériaux intelligents vont révolutionner nos vies

Pas une semaine ne passe sans qu’une percée technologique ne vienne bouleverser le monde de l’ingénierie. Mais, loin d‘être cantonnés aux laboratoires, les matériaux intelligents débarquent dans la vie quotidienne, et le futur nous réserve bien des surprises…
Imaginez un GPS intégré dans des chaussures de randonnée qui littéralement guideraient vos pas! Après les chaussures autolaçantes, les autres vêtements autonomes de Marti Mc Fly dans Retour vers le futur 2 pourraient bientôt devenir notre quotidien. Si certaines de ces innovations sont déjà techniquement possibles, il est capital de ne pas avoir à recharger nos penderies comme un vulgaire téléphone. Aujourd’hui, les chercheurs ont peut-être trouvé une piste vers la libération du règne despotique et centenaire de la prise électrique !

Un tissu qui génère lui-même de l’électricité

Le secret du tissu électrostrictif est invisible à l’œil nu. Il se cache dans une couche de polymères isolante, à peine visible puis dans des nanotubes de carbone conducteurs de la taille typique d’une bactérie. Par des calculs complexes, ces tubes sont disposés en arborescence à une proximité à l’extrême limite de la conductivité. Le moindre mouvement engendre donc un courant électrique minuscule. Pour parvenir à ce résultat, tout l’art est donc d’assembler ces éléments à des échelles nano par le biais de la discrétisation. Cette technique consiste à fragmenter les calculs pour disposer ces nanotubes en « briques » savamment réparties dans l’espace grâce aux mathématiques… Et à l’équipe Memphis (centre Inria de Bordeaux). Annie Colin, professeure à l’ESPCI Paris et membre de l’équipe Memphis, résume.

On convertit l’énergie mécanique en courant électrique !

« Ces dispositifs sont pensés pour la révolution de l'Internet des Objets, sans effet cage de Faraday. Malgré des puissances petites pour l’heure (un microwatt par centimètre carré) [les puissances] sont suffisantes pour alimenter un capteur d'humidité (100 nano watt) ou de pression. »  Les coûts relativement faibles de production, et les possibilités de production de masse constituent des pistes intéressantes vers des vêtements connectés autonomes alimentés par le mouvement, mais pas seulement. Ces dispositifs peuvent aussi trouver une utilité dans d’autres secteurs comme par exemple le mobilier urbain. « Ils peuvent par exemple être mis sur des ponts. Les vibrations des ponts alimentent les capteurs pour suivre la sécurité du pont. On peut penser aussi aux tourniquets du métro, aux pistes de danse. Les perspectives vers le médical sont possibles. »

 

Vers des matériaux médico-émotionnels ?

La miniaturisation permanente des capteurs connectés permet aujourd’hui de les intégrer dans des objets médicaux discrets (bracelets, colliers, patchs) pour un suivi en temps réel. Le tout éventuellement accompagné d’une médication approprié (traitement du diabète, des douleurs, des allergies) en cas de crise médicale. Demain, des dispositifs autonomes pourraient être intégrés dans la fibre textile même. De quoi alerter visuellement les secours en cas de crise d’épilepsie, d’irradiation, rendre immédiatement visible le dopage des athlètes. Et révolutionner le traitement des pathologies mentales. C’est l’ambition de la plate-forme d’analyse textile PSYCHE développée par la start-up italienne SMARTEX qui a conceptualisé un tee-shirt capable de suivre en temps réel les signes de crise (rythme cardiaque, activité vagale, cycle du sommeil, débit vocal) des personnes atteintes de troubles bipolaires. Les données collectées peuvent ainsi être exploitées par le personnel soignant pour proposer des thérapies sur mesure. L’enjeu désormais pour les constructeurs sera d’assurer la sécurité de ces outils connectés.

Des matériaux sensibles aux substances pathogènes (drogues, poisons, toxines) sont aussi à l’étude, comme Drinksavvy qui cherche à développer verres et pailles capables de détecter le GHB, cette « drogue du violeur » endémique sur les campus américains. De même, il est envisageable de voir à l’avenir des contenants alimentaires (bocaux, barquettes) qui se coloreront en cas d’infection bactériologique.  Ou même des matériaux bactéricides encore plus efficaces que le cuivre, et capables d’annihiler la très tenace et résistante E.coli responsable de nombreux décès dans le monde.

 

Une maison en champignon, en bactéries

Et pourquoi ne pas faire pousser des matériaux loin des forêts ? Les champignons possèdent un potentiel architectural, de par leur capacité à grandir sans lumière et leur résistance redoutée des experts en travaux publics (ils sont capables de percer une couche d’asphalte). L’entreprise Ecovative réalise des briques de mycélium, des « racines » de champignons qui poussent sur des déchets agricoles. Ce matériel facile à produire et solide est à la fois durable et biodégradable ! Contrairement au bois, les mycéliums « poussent » vite et ne nécessitent pas d’infrastructures de transport lourdes en émissions de CO2. Enfin, ils ne rejettent pas de COV, des composés organiques volatils allergènes (spores, pollens) ou cancérigènes (comme le formaldéhyde utilisé dans contreplaqués et peintures). Mêmes bénéfices pour les « biociments » de bioMASON à base de … bactéries ! Sporosarcina pasteurii est capable de produire de la calcite en quelques jours d’exposition à une solution nutritive, en formant une brique dure comme du béton. Ginger Dosier, la PDG de la startup Biotech, s’enthousiasme :

Nous pouvons déjà réaliser des briques bioluminescentes, qui absorbent la pollution ou qui changent de couleur une fois humides !

 

Flexibilité et solidité : les polymères et alliages à mémoire de forme

L’EMF (effet mémoire de forme) permet d’obtenir des matériaux avec des capacités de flexibilité capables de revenir à leur état de base par friction ou exposition à la chaleur. Deux grandes « familles » de ces matériaux intelligents coexistent, avec des avantages propres. Ces propriétés émulent la force proverbiale du roseau qui plie, mais ne casse pas. De quoi développer une nouvelle génération de bâtiments antisismiques, antitsunamis, et antitornades dans les zones à risques. Pour l’industrie, les retombées sont considérables : fauteuils de véhicules plus ergonomiques, pièces de moteurs qui cassent moins, focus d’appareils photo et prothèses dentaires plus versatiles.

Encore plus flexibles, les matériaux à changement de phase alternent état liquide et solide par simple variation de température. L’entreprise française Dupont de Nemours commercialise de tels panneaux Energain® capables d’augmenter la « masse thermique » d’un bâtiment avec une réduction des pics de températures atteignant 7 degrés. La chaleur emmagasinée le jour est émise en douceur à la nuit tombée en allégeant d’autant la consommation en chauffage/climatisation ; et donc l’émission de CO2.

 

Nano le petit robot

Pour le moment surtout passives, les structures nanotechnologies (organisées à l’échelle du nanomètre, soit un milliardième de mètre) gagnent en mouvement et en réactivité pour devenir de véritables minirobots commandés à distance ou semi-autonomes. Avec demain la probabilité de voir l’échelle passer du 1/8000e de largeur de cheveu à l’échelle micro, puis visible à l’œil nu.

Conjugués à une autre révolution  - l’intelligence artificielle -  les « nanos » pourraient soigner les cancers de l’intérieur, s’autorépliquer, et réaliser des changements chimiques capables de créations variées à partir de leurs éléments chimiques de base.

Cela ouvre la porte à des créations d’objets complexes (comprenant par exemple des circuits de processeurs) visibles à l’œil nu, et donc capables d’être imprimés en 3D. Voilà qui pourrait déplacer l’usine, la ferme, la pharmacie, l’hôpital dans le salon.

Même s’il s’agit là d’une perspective à long terme (voir encadré) l’impact sociétal et psychologique serait tel qu’il signerait la fin du secteur manufacturier de masse, et donc de l’économie d’échange telle que nous la connaissons.

 

Crédits et légendes photos : CCO Public Domain, Pixabay ; Matérau polymère, Maxisciences

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Quelques mots d'Angelo Iollo : calculer le futur

Successivement ingénieur aéronautique, officier de l’armée de l’air, collaborateur de la NASA, puis entrepreneur, Angelo Iollo est Professeur de mathématiques à l’université de Bordeaux. Le responsable de l’équipe-projet Memphis chez Inria aborde ses thématiques de travail, et comment celles-ci impactent –entre autres- les matériaux de demain.

« À l’aide de calculs parallèles étendus sur des supercalculateurs, notre expertise consiste à décrire des modèles numériques qui transcrivent la complexité du modèle physique, et à traduire ceux-ci par des approches numériques assez simples pour être à leur tour étendues à des calculateurs complexes multiprocesseurs. Cela s’appelle la modélisation multiphysique basée sur le calcul parallèle. Un autre thème c’est la convergence données-modélisation : on exploite l’immense masse de données générée par calcul que l’on "touille" avec des modèles mathématiques pour les simplifier et les rendre plus rapides et capables d’apporter des réponses en temps réel (c’est une modélisation réduite). C’est une manière intelligente de fouiller dans des données type big data avec un algorithme basé sur le modèle physique. Tout cela avec l’objectif de retombées pratiques et sociétale applicables à l’industrie et l’ingénierie. Dans le cas du tissu électrostrictif nous travaillons avec nos collègues Annie Colin (professeure à l’ESPCI Paris) Philippe Poulin (chercheur au CNRS) et Alain Luna (actuellement en thèse) du Centre de recherche Paul Pascal. Et c’est donc grâce aux mathématiques et aux modèles calculés puis vérifiés que la matière peut être agencée avec précision pour obtenir des résultats tels qu’un textile générant de l’électricité. »

Et dans 50 ans…

À l’occasion des 50 ans d’Inria, Damien Waltisperger, journaliste spécialisé dans les nouvelles technologies et passionné de science-fiction, s’est prêté au jeu de la prospective. Rendez-vous en 2067…

Oublions un instant que la futurologie est un art difficile pour rêver de 2067, et lever le voile sur un futur spéculatif. L’occasion, de fêter le centenaire d'Inria par anticipation. La miniaturisation poussée au paroxysme des objets informatiques a rendu ceux-ci littéralement invisibles et interconnectés à très très haut débit. Toute surface bâtie est désormais capable de devenir d’un simple mouvement ou par commande vocale à la fois opaque, réfléchissante et transparente. Chaque mur de la maison est un écran potentiel transmettant films et sons, en 2D ou 3D. La quête permanente de rentabilité énergétique a rapproché l’architecture du monde du vivant avec des habitats autonomes (par énergie solaire, marémotrice kinésique et éolienne) qui respirent, dépolluent, se chauffent en temps réel et recyclent l’humidité pour assurer un lieu de vie optimal. Des vêtements chatoyants ou sobres suivant l’humeur du jour scannent en permanence l’état physique et mental de leur porteur, et lui prodiguent discrètement des conseils médicaux, diététiques, sportifs et psychologiques pour assurer son bien-être. La révolution numérique a mené à des encres et tissus biocompatibles à prix modique, et l’on change de tatouage connecté, de genre ou de look comme de coupe de cheveux.

Bouleversés par ces changements radicaux de paradigme, la société et le monde du travail ont épousé la technologie. Le mobilier à mémoire de forme prévient les crampes pour les postes semi-assis et des tenues de travail assistées guident en douceur les travailleurs manuels vers des postures ergonomiques. La grande automatisation due à l’omniprésence des intelligences artificielles a déplacé le travail et l’école partout où l’Homme souhaite les pratiquer et il n’est pas rare de voir des i(A)nformaticiens coder dans des jardins publics. Depuis la création de la première intelligence véritablement autonome, les débats politiques font rage pour étendre les droits de l’Homme aux « consciences persécutées », et l’on parle d’une IA présidente.

Chacun dispose désormais d’un accès à l’impression 3D de qualité, et l’économie d’exploitation des ressources non-renouvelables est devenue un signe des excès du début du siècle : ce qui ne pousse pas en terre ou en laboratoire est directement recyclé avec une efficacité optimale. Lentement, les forêts dévastées repoussent, les océans se repeuplent.

Mot de l’auteur : « Pour dépeindre ce "futur possible", j’ai extrapolé les axes de recherches existants conjugués à l’optimisme débridé du scientisme et du mouvement technocratique américain de l’entre-deux-guerres. Ces deux courants politiques considèrent les ingénieurs et les chercheurs comme étant les plus à même de résoudre – avec pragmatisme et sans partisanerie - les problèmes concrets de l’humanité. Ce n’est donc pas un hasard si mon autre inspiration, la science-fiction, compte nombre d’auteurs issus des sciences comme Isaac Asimov (un biochimiste), Vernor Vinge (un mathématicien) ou Alastair Reynolds (un astronome). Car c’est en proposant (même au risque de se tromper) qu’on innove, en science comme en littérature. »

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