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.