Impression 4D : les matériaux intelligents du futur ?

La tech­nolo­gie d’im­pres­sion 3D, qui existe depuis près de 35 ans a large­ment par­ticipé à réin­ven­ter les mod­èles de fab­ri­ca­tion tra­di­tion­nels. Elle a per­mis la créa­tion d’un marché estimé aujour­d’hui à 30 mil­liards d’eu­ros avec une crois­sance de 20 % par an. Cepen­dant, lorsqu’un pro­duit arrive à matu­rité, une nou­velle tech­nolo­gie arrive qui, avec le temps, la rem­plac­era. L’im­pres­sion 4D, où la qua­trième dimen­sion est le temps, représente cette tech­nolo­gie de rupture. 

D’une cer­taine manière, l’im­pres­sion 4D est la forme fonc­tion­nelle de l’im­pres­sion 3D et per­met d’im­primer des objets dynamiques qui répon­dent active­ment aux stim­uli externes. La pos­si­bil­ité de « pro­gram­mer » la matière afin que des objets arti­fi­ciels puis­sent se com­porter comme des organ­ismes intel­li­gents ouvre de nou­velles per­spec­tives de recherche et un nom­bre infi­ni d’ap­pli­ca­tions potentielles.

Para­doxale­ment, l’hy­pothèse fasci­nante de pou­voir pro­gram­mer la matière a été intro­duite dans un autre domaine sci­en­tifique. En 1991, Tof­foli et Mar­go­lus, deux infor­mati­ciens du MIT, ont intro­duit le terme de « matière pro­gram­ma­ble » pour désign­er un ensem­ble de nœuds de cal­cul dis­posés dans l’e­space et ne com­mu­ni­quant entre eux que par l’in­ter­mé­di­aire de pre­miers voisins¹. 

Mutatis mutan­dis, cette idée, par con­t­a­m­i­na­tions croisées, a essaimé d’autres dis­ci­plines, jusqu’à ce qu’en 2005 la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) lance un pro­jet pluri­an­nuel au titre évo­ca­teur de « Real­iz­ing Pro­gram­ma­ble Mat­ter », por­tant essen­tielle­ment sur la robo­t­ique mod­u­laire, les ensem­bles de pro­gram­ma­tion et les nanomatéri­aux ². A ce moment, cette his­toire va en crois­er une autre. Celle des matéri­aux intel­li­gents, c’est-à-dire des matéri­aux dont les pro­priétés peu­vent être activées ou mod­i­fiées par des stim­uli externes : physiques (champ élec­trique, champ mag­né­tique, lumière, tem­péra­ture, vibra­tions), chim­iques (PH, pho­tochimie) ou biologiques (glu­cose, enzymes, biomolécules). 

Enfin, en 2013, Sky­lar Tib­bits, fon­da­teur du Self assem­bly lab au MIT, lors de son allo­cu­tion à une con­férence TedX, pro­pose d’u­tilis­er des matéri­aux intel­li­gents dans les proces­sus d’im­pres­sion 3D pour pro­duire des objets pro­gram­ma­bles, et pro­pose le nom de 4D pour cette nou­velle tech­nolo­gie. La con­ver­gence de ces trois domaines de recherche (impres­sion 3D, matière pro­gram­ma­ble et matéri­aux intel­li­gents) a con­duit à la révo­lu­tion 4D³.

A l’év­i­dence, au cœur de cette nou­velle tech­nolo­gie se trou­vent les matéri­aux intel­li­gents. C’est à la fois le plus grand atout mais aus­si le plus gros obsta­cle à son développe­ment, car la recherche dans ce domaine en est encore à ses bal­bu­tiements et peu de matéri­aux intel­li­gents et imprimables sont actuelle­ment disponibles (essen­tielle­ment des polymères). C’est pourquoi une par­tie de la recherche se con­cen­tre sur la pos­si­bil­ité d’é­ten­dre la gamme des matéri­aux imprimables aux matéri­aux céramiques, métalliques, mais aus­si aux matéri­aux biologiques et composites. 

Cepen­dant, le matéri­au n’est pas le seul critère à con­sid­ér­er, il faut égale­ment être capa­ble de con­cevoir et de con­stru­ire un objet « à com­porte­ment ». Il y a dans cette opéra­tion un cou­plage qui doit se faire entre matéri­au, procédé et fonc­tion­nal­ité. Le développe­ment d’une méthodolo­gie qui se base sur la tri­ade con­cep­tion-mod­éli­sa­tion-sim­u­la­tion pour que l’objet imprimé réponde de manière appro­priée aux sol­lic­i­ta­tions externes est égale­ment nécessaire.

En faisant un par­al­lèle avec l’informatique, si le bit est l’unité de base de la pro­gram­ma­tion, le vox­el (mot-valise créé de la con­trac­tion des mots vol­ume et élé­ment) est le vol­ume élé­men­taire qui stocke l’information physique/chimique/biologique de la matière active. Pro­gram­mer un objet à com­porte­ment imprimé en 4D revient donc à mod­élis­er et à simuler la dis­tri­b­u­tion opti­male des vox­els afin que l’ap­pli­ca­tion d’un stim­u­lus cor­re­sponde à un effet déter­min­iste. Ce prob­lème com­plexe néces­site des solu­tions ad hoc où le com­porte­ment souhaité est traité comme une vari­able d’en­trée, tan­dis que l’ac­tion (la dis­tri­b­u­tion des vox­els) est traitée comme une vari­able de sortie.

Dernier point, mais pas le moin­dre, l’objet imprimé en 4D peut être hétérogène. C’est-à-dire com­posé d’un ou plusieurs matéri­aux act­ifs inter­posés entre des élé­ments pas­sifs. Cela néces­site le développe­ment d’imprimantes mul­ti-matéri­aux et des codes spé­ci­fiques pour les adapter aux matéri­aux util­isés et aux stim­uli introduits. 

La pos­si­bil­ité de com­bin­er géométries com­plex­es et com­porte­ments évo­lu­tifs per­met à l’impression 4D de repouss­er les lim­ites en matière de con­cep­tion d’objets et de révo­lu­tion­ner le monde de la fab­ri­ca­tion comme on l’entend aujourd’hui. Elle favoris­era le développe­ment de nou­velles tech­nolo­gies basées, par exem­ple, sur « l’auto-assemblage », si les élé­ments imprimés peu­vent s’assem­bler de manière autonome à un moment et un endroit pré­cis sans inter­ven­tion humaine. Sur « l’auto-adaptabilité », si les struc­tures imprimées peu­vent com­bin­er détec­tion et action­nement au sein d’un même matéri­au. Ou encore sur « l’auto-réparation », si les objets imprimés pos­sè­dent la capac­ité de détecter et de répar­er eux-mêmes les défauts (d’usure, de fab­ri­ca­tion), réduisant ain­si la néces­sité de procé­dures invasives. 

Les pos­si­bil­ités d’u­til­i­sa­tion sont pléthore. L’impression 4D est déjà force motrice en robo­t­ique sou­ple pour la fab­ri­ca­tion de robots de plus en plus petits (mil­li-robots, micro-robots, nano-robots) capa­bles de tra­vailler dans des envi­ron­nements dan­gereux ou de se déplac­er en milieu con­finé, comme dans le corps humain, pour livr­er un médica­ment ou pour effectuer des opéra­tions micro-inva­sives. Dans le domaine des appli­ca­tions bio­médi­cales, des études sont en cours pour pou­voir bio-imprimer des endo­pro­thès­es, d’organes et de tis­sus intel­li­gents. L’impression 4D favoris­era le développe­ment de l’électronique flex­i­ble et embar­quée ain­si que de cap­teurs intel­li­gents adap­tés à la ville connectée. 

Dans le domaine de l’énergie, des recherch­es sont en cours pour max­imiser l’ef­fi­cac­ité des cel­lules solaires en inté­grant des microstruc­tures imprimées sur des sub­strats flex­i­bles. On peut imag­in­er des appli­ca­tions grand pub­lic dans le domaine de la mode et du style de vie comme des tex­tiles bio­mimé­tiques auto-adap­tat­ifs ou des chaus­sures intel­li­gentes auto-pli­antes. En archi­tec­ture, l’impression 4D per­me­t­tra le développe­ment d’une nou­velle approche axée sur le développe­ment durable comme le pro­jet Hygroskin, qui utilise les pro­priétés hygrométriques du bois pour refer­mer et ouvrir un pavil­lon en fonc­tion de l’humidité, sans aucune inter­ven­tion ou énergie extérieure. L’impression 4D trou­ve aus­si des appli­ca­tions dans les pra­tiques de recherche et de créa­tion en art et en sci­ence autour de la notion de matière à com­porte­ment pour ques­tion­ner les rela­tions entre monde vivant et monde artificiel.

En citant Bernard de Chartres « nous sommes comme des nains sur les épaules de géants » nous pou­vons d’ores et déjà affirmer que l’impression 4D vient s’ajouter à ce proces­sus de trans­for­ma­tion pro­fonde, de con­cep­tion et de pro­duc­tion d’objets indus­triels, ini­tié par la fab­ri­ca­tion addi­tive. Bien que com­paré au marché mon­di­al de la tech­nolo­gie 3D (30 Mrd€/an), le marché de l’impression 4D soit encore mod­este (30–50 M€/an), son car­ac­tère dis­rup­tif est évi­dent. Mais, l’impression 4D n’en est encore qu’à ses débuts et c’est pour cette rai­son, et au-delà des développe­ments tech­ni­co-sci­en­tifiques, que l’impression 4D doit encore trou­ver son mod­èle économique et démon­tr­er la pos­si­bil­ité d’une pro­duc­tion indus­trielle à un coût raisonnable. Enfin, pour que l’impression 4D sorte des lab­o­ra­toires de recherche, cette tech­nolo­gie doit néces­saire­ment pass­er par la mise en place d’une feuille de route claire et ambitieuse et créer en par­al­lèle une « désir­abil­ité sociale ». Cela passera aus­si par la volon­té des investis­seurs et des indus­triels de soutenir l’impression 4D et de la pouss­er vers sa matu­rité économique.