Metasurfaces programmables à frottement piloté – Prometaf

Le design des métasurfaces est basé sur une série d'outils analytiques et numériques: des modèles statistiques d'aspérités sont adaptés, de façon à décrire la relation entre les propriétés de surface et le comportement de frottement émergent. En pratique, nous réalisons des inversions où la loi de frottement sert d'entrée, et la sortie est une série de listes des propriétés des aspérités (hauteur, rayon, position dans le plan).
Une fois le design établi, les surfaces sont réalisées expérimentalement en quatre étapes: (i) préparation d'un moule en aluminium par micro-usinage, (ii) remplissage par un fondu d'élastomère, (iii) réticulation de l'élastomère et (iv) démoulage.
Ces surfaces sont ensuite testées en frottement avec un tribomètre opto-mécanique dédié, qui permet des mesures précises des efforts, mais aussi de l'imagerie in situ de l'interface de contact.
Enfin, des analyses des signaux et des images permettent la comparaison quantitative avec le comportement prédit.

Pour l'instant, nous avons:
(i) développé les protocoles pour la production d'échantillons reproductibles d'élastomère présentant une topographie souhaitée
(ii) établi les relations d'inversion pour des interfaces présentant une loi de frottement non-linéaire à deux branches
(iii) créé les surfaces correspondantes
(iv) testé ces surfaces par tribométrie.
L'accord avec les prédiction est satisfaisant, validant ainsi ce premier exemple d'application de notre stratégie de design (outil A)

Pas de focus pour l'instant.
Dans le futur, nous allons poursuivre notre exploration des divers outils proposés (outils B à D), en commençant par l'outil B.

Aucune pour l'instant.

Malgré des siècles de recherche, le frottement sec d’interfaces de contact rugueuses reste mal compris et donc mal maîtrisé. Bien que l’optimisation des systèmes impliquant des contacts fonctionnels puisse amener d’importantes économies d’énergie, il n’existe pas de méthode établie pour préparer une interface avec des propriétés de frottement prédéfinies. Le but de PROMETAF est de tester une stratégie simple, générique et innovante pour concevoir de telles interfaces.

L’idée est de créer des métasurfaces déterministes en plaçant, une par une, des aspérités sur un substrat déformable. En ajustant les forme, taille, altitude, matériau et revêtement de surface de chaque aspérité, et la structure du substrat, nous piloterons la réponse macroscopique de l’interface pour obtenir des lois de frottement inédites. En pratique, nous développerons un ensemble ambitieux de quatre outils:

(i) des interfaces avec une loi de frottement prédéfinie, fortement non-linéaire, passant par différents points de fonctionnement généralement incompatibles
(ii) des interfaces programmables, chaque échantillon permettant, par ajustement préalable de la déformation statique du substrat, de sélectionner une loi de frottement quelconque parmi une famille de lois accessibles
(iii) des métasurfaces ayant, contrairement aux interfaces naturelles, une force de frottement qui décroît lorsque la pression de confinement de l’interface croît
(iv) des interfaces actives dont la topographie peut être modulée via des actionneurs pilotés à distance, permettant un contrôle temporel de la force de frottement, sans pour autant modifier le chargement extérieur.

Cette nouvelle boîte à outils sera utilisée pour avancer les connaissances, à la fois en questionnant le paradigme d’une loi de frottement unique et monotone pour une interface donnée, et en étendant le domaine d’application des métamatériaux au cas du frottement.

La méthodologie proposée couple intimement expérience, théorie et simulation, pour atteindre une compréhension profonde de chacun des outils développés. Après une phase de conception théorique/numérique, les métasurfaces les plus prometteuses seront préparées par une combinaison originale de micro-usinage, fabrication additive et traitement de surface. Leur comportement en frottement (force, aire de contact, etc.) sera ensuite caractérisé, avec un dispositif opto-mécanique innovant récemment réalisé par l’équipe de PROMETAF, puis confronté aux prédictions théoriques/numériques.

Ce projet est porté par un jeune chercheur reconnu internationalement ayant une forte expérience du frottement sec, aux échelles micro et macroscopique. Lui et son équipe internationale multidisciplinaire possèdent toutes les compétences nécessaires pour atteindre les objectifs de PROMETAF. Le succès du projet sera assuré par une organisation par tâches dans laquelle les principaux risques et les mesures de repli associées ont été attentivement identifiées. En conséquence, malgré l’originalité et l’ambition de PROMETAF, les chances de succès sont jugées très élevées.

Les résultats du projet devraient impacter non seulement la communauté scientifique, en ingénierie mécanique, physique et géoscience, mais aussi diverses industries en particulier dans les domaines de la robotique et de la réalité virtuelle. Les efforts passés de l’équipe pour (i) publier dans les journaux scientifiques majeurs de différents domaines, mais aussi dans les journaux multidisciplinaires à fort impact et (ii) organiser des événements scientifiques internationaux, seront poursuivis pour assurer la diffusion la plus large des résultats du projet.

Pour le coordinateur, gérer PROMETAF sera une opportunité unique (i) de prendre des responsabilités accrues et de consolider son équipe et (ii) de développer un axe de recherche nouveau, tant pour lui que pour le reste de la communauté scientifique, renforçant ainsi sa reconnaissance internationale comme expert incontournable dans le domaine du frottement.