Mécanique de matériaux fibreux bioinspirés – BioFibMat

Le projet repose sur une approche intégrée combinant expériences contrôlées, observations biologiques et modélisation théorique et numérique, afin de relier les mécanismes microscopiques aux propriétés macroscopiques des matériaux fibreux. Cette approche multi-échelle permet d’établir des lois de comportement effectives et de guider la conception de métamatériaux fibreux bioinspirés.

Le projet a permis d’obtenir plusieurs résultats structurants, tant sur le plan fondamental que pour la conception de matériaux bioinspirés :

(i) Assemblages fibreux comme métamatériaux. Les expériences sur un amas de fibres soumis à des sollicitations en traction et en compression ont démontré qu'il se comporte comme un métamatériau mécanique flexible. Les propriétés macroscopiques émergent directement de l’organisation collective (connectivité, densité, anisotropie, orientation), et non des propriétés individuelles des fibres. Les mesures couplées de réponse mécanique et d’évolution structurale ont permis d’identifier des mécanismes clés, notamment les réorientations de fibres, le role de la friction et les réarrangements topologiques. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles descriptions effectives des milieux fibreux désordonnés.

(ii) Rôle des renforts fibreux dans le déploiement biologique. L’étude du déploiement de l’aile de Drosophile a mis en évidence le rôle déterminant de l’architecture fibreuse dans le contrôle de la cinématique et de la robustesse du processus. En combinant expériences, imagerie et modélisation, nous avons identifié l’existence d’un point de fonctionnement mécanique permettant un déploiement rapide et robuste. Ces résultats apportent une compréhension nouvelle des mécanismes de déploiement dans les structures biologiques, en montrant comment des propriétés globales émergent de l'organisation interne.

(ii) Conception de métamatériaux morpho-plastiques. Nous avons développé une nouvelle classe de structures cellulaires composées de fibres élastoplastiques, capables de générer des formes tridimensionnelles complexes et de programmer leur réponse mécanique. Ces métamatériaux morpho-plastiques permettent d’encoder des états de forme et des propriétés mécaniques de manière contrôlée, en exploitant les déformations irréversibles à l’échelle des fibres. Ces systèmes démontrent la possibilité de concevoir des matériaux dont la fonctionnalité repose sur leur architecture interne, avec des applications potentielles en structures déployables.

(iv) Interactions avec l’environnement. Nous avons caractérisé le comportement de structures fibreuses en interaction avec des milieux complexes, notamment des fluides visqueux et des milieux granulaires frictionnels. Les résultats montrent comment ces interactions influencent la réorganisation, la mobilité et la dissipation dans ces structures fibrées, avec des implications tant pour les systèmes biologiques que pour la pénétration dans des milieux granulaires.

Le projet ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de matériaux mécaniques flexibles et adaptatifs, inspirés du vivant. Les résultats obtenus fournissent des principes de conception pour des métamatériaux programmables, avec des applications potentielles en robotique souple, structures déployables et matériaux intelligents.

Au-delà des applications, le projet contribue à une meilleure compréhension des systèmes biologiques fibreux et des mécanismes physiques qui gouvernent leur fonctionnement. Il renforce également les liens entre mécanique, physique des matériaux et bio-inspiration, en proposant un cadre unifié pour l’étude des assemblages fibreux.