Systèmes couplés non linéaires

Cet axe de recherche traite des phénomènes dynamiques non linéaires dans les systèmes couplés mécaniques, électroniques, acoustiques et fluidiques, en vue de mieux les comprendre, pour pouvoir ensuite les maîtriser, les calculer de manière prédictive et les utiliser pour créer de nouveaux systèmes et de nouvelles technologies. Cette activité fait intervenir l'équipe AIMAN-FILM de l'IEMN et le LISPEN. À travers des compétences complémentaires et des sujets d'activités très proches (les non linéarités, les couplages et leur mise à profit pour créer de nouveaux systèmes), ces deux équipes souhaitent créer une activité commune dans l'avenir.

1— Dynamique non linéaire et systèmes intelligents

Cette partie concerne des activités du LISPEN centrées sur la modélisation, la simulation, la compréhension et l'optimisation de la dynamique et des vibrations des systèmes non linéaires. Les champs d'application sont les systèmes mécaniques traditionnels de l'ingénieur (mécanismes, structures déformables) et les systèmes couplés électromécaniques.

On s'intéresse aux non linéarités pour deux raisons complémentaires : d'une part, il s'agit de mieux comprendre les phénomènes physiques et les comportements vibratoires singuliers liés aux non linéarités ; d'autre part, nous travaillons à proposer des stratégies de modélisation et de calcul efficaces pour prédire le comportement non linéaire des systèmes. Il s'agit d'être capable de maîtriser les non linéarités des systèmes, soit pour les prendre en compte dans les calculs de conception, soit pour les éliminer ou en diminuer les effets, soit encore pour les utiliser pour améliorer les systèmes existants ou en produire de nouveaux. Parmi les exemples d'application, on peut citer : l'écriture d'un code de calcul des déformations non linéaires géométriques pour prédire le montage de câbles électriques dans les automobiles (coll. Renault) ; la conception d'absorbeurs de vibration dans les groupes moto-propulseurs automobiles (coll. Valeo) ; la compréhension de la dynamique non linéaire d'instruments de percussion (coll. ENSTA, Institut d'Alembert).

Sur la partie couplage électromécanique, on s'intéresse tout d'abord à la modélisation et au calcul des mécanismes de transduction : piézoélectriques, électrostatiques, électromagnétiques. Ensuite, on utilise ces modélisations pour produire des modèles globaux structure mécanique / transduction / circuit électronique permettant une optimisation en vue d'un critère donné. Dans ce cadre, on peut citer le contrôle passif et semi-passif de vibrations par shunt piézoélectriques (coll. Politecnico di Milano), la conception d'un nano-drone (coll. IEMN).

Ces deux thèmes se rencontrent pour concevoir des systèmes électromécaniques non linéaires. Parmi les applications, citons l'utilisation de vibrations non linéaires pour concevoir des capteurs de masse biomoléculaires (coll. LAAS Toulouse, LMSSC Paris) et la conception de récupérateur d'énergie vibratoire par oscillations paramétriques (coll. L2EP Lille).

 

2— Multi-stabilités dans les nanostructures magnéto-élastiques ; vers les nouveaux paradigmes de traitement de l’information

Cette sous-partie concerne les études théoriques, expérimentales et technologiques des transitions de phase quasi-statiques et dynamiques dans les nanostructures magnétiques et magnéto-élastiques et leurs applications à l’élaboration de nouveaux paradigmes de traitement de l’information. Au voisinage des transitions de phase, les systèmes couplés deviennent extrêmement non-linéaires et le couplage permet de transférer les propriétés de l’un des sous-systèmes vers l’autre de façon ultra-efficace. Les orientations sont plus particulièrement vers les applications de nouveaux composants électroniques à ultrabasse consommation (par exemple mémoire MELRAM) et les composants pour les réseaux neuromorphiques.

 

3 — Matériaux à états critiques, micro-nano-structures bosoniques ; Vers l’électronique fonctionnelle et la théragnostique

Ici nous investiguons les matériaux magnéto-élastiques possédant des états critiques avec des propriétés non linéaires extraordinaires telles que les excitations multiphonons couplées, les structures hybrides quasi-phononiques (cristaux contenant des inclusions magnéto-élastiques périodiques dans une matrice solide), et l’étude de nouvelles fonctionnalités pour des guides d’ondes et des résonateurs reconfigurables et contrôlables, ainsi que des micro-capteurs ultrasensibles. Nous nous intéressons également aux matériaux critiques massifs utilisés comme milieux actifs pour le retournement supercritique paramétrique des fronts d’ondes ultrasonores (conjugaison de phase ondulatoire) avec des applications variées pour le diagnostic et l’imagerie non linéaires. Cela concerne en particulier la caractérisation des liquides et écoulements hétérogènes composés de nuages de microbulles ou de nanoparticules, le contrôle non destructif utilisant la conjugaison de phase ultrasonore de la réponse non linéaire des matériaux due à la présence de défauts.

 

4 — Acousto-fluidique et microfluidique fonctionnelle

Ce thème est associé aux études théoriques, numériques et expérimentales des interactions complexes entre les ondes acoustiques et la micro-hydrodynamique. Ceci concerne l’actionnement de micro-gouttes et de micro-écoulements par ondes acoustiques de surface en exploitant les phénomènes non linéaires pour application aux laboratoires sur puces, l’élaboration de micropinces acoustiques notamment de milieux biologiques, l’excitation d’instabilités d’interfaces liquides par faisceaux ultrasonores, ou encore la génération d’écoulements fluides aux petites échelles par microvalves ou micropompes MEMS.