Auteur/autrice : Benoît Roman

[Funded PhD position – potential start date: Fall 2026]
Labs: PMMH (Paris) + LJK (Grenoble) + LORIA (Nancy)

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Context

Architected materials capable of shape transformation under external stimuli are paving the way for revolutionary advances in soft robotics, medicine, and frugal digital technologies. These materials are the focus of an active emerging research field.

Here an ex ample of 3D printed flat material (« shape-memory » polymer) by MFX team : frozen strain during extrusion (and fast cooling) are relaxed when the material is heated, leading to deformation into a programmed shape.

A new actuation and a new approach

We propose a novel approach: designing 3D-printed solid cellular materials whose shape and mechanical properties evolve in a controlled manner under internal depressurization, combined with an equally innovative interdisciplinary approach.

This depression-based actuation is an exciting concept, enabling reversible, large-amplitude deformations while raising new fundamental questions. Another unique aspect of the project is its interdisciplinarity: the collaboration between mechanics/physics (experiments at PMMH) and computer graphics (inverse problems at LJK and printability at LORIA). These disciplines, though recently discovering shared interests, have had limited interaction to date. By leveraging tools and perspectives developed separately, we anticipate significant breakthroughs.

In this CNRS-funded interdisciplinary PhD project, we aim to develop a programmable material-machine capable of deforming into a target geometry when subjected to internal depressurization. The research will focus on:

• Determining the internal architecture of anisotropic cellular patterns (sheets, tubes, staggered patterns, etc.), and optimizing their printability and mechanical characteristics.
• Solving the inverse problem to determine the deformation distributions required to achieve complex shapes.
• Automatically generating printable internal architectures and experimentally testing these new shape-changing materials (using 3D scanning and mechanical testing).

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Candidate Profile

• Education: Master’s degree in Physics, Mechanics, or Computer Graphics.
• Passion for experimentation (mechanics, physics, 3D printing) and/or strong interest in programming and numerical methods (optimization, simulation, etc.). In this interdisciplinary work, the balance between disciplines can be adjusted, but the project will inherently rely on the expertise of all three laboratories (with planned research stays at each), opening up a promising new interdisciplinary field.

Contacts

PMMH (ESPCI, Campus Jussieu, Paris 5eme)
José Bico, jose.bico@espci.fr https://blog.espci.fr/jbico
Etienne Reyssat etienne.reyssat@espci.fr
Benoît Roman benoit.roman@espci.fr https://blog.espci.fr/benoitroman

LJK (Genoble) ; team CRAFT
Mélina Skouras, melina.skouras@inria.fr, https://imagine.inrialpes.fr/people/mskouras/index.htm
Georges-Pierre Bonneau, georges-pierre.bonneau@inria.fr, https://team.inria.fr/craft/georges-pierre-bonneau/

LORIA (Nancy) : team MFX
Camille Schreck, camille.schreck@inria.fr   schreckc.github.io
Sylvain Lefebvre, sylvain.lefebvre@inria.fr https://antexel.com/sylefeb/research/

[ offre de thèse avec financement – début souhaité: Automne 2026 ]
Laboratoires PMMH (Paris) + LJK (Grenoble) + LORIA (Nancy)

Contexte

Les matériaux architecturés, capables de changer de forme sous l’effet d’un stimulus externe, ouvrent des perspectives révolutionnaires (en robotique souple, en médecine et dans les technologies frugales numérique) et sont l’objet de nouveaux domaines de recherche très actifs.

Ci- contre, un exemple de travail sur un matériau imprimé 3D programmable (polymère à mémoire de forme) par l’équipe MFX : des contraintes gelées dans le matériaux extrudé (et refroidi brutalement) sont relâchées lorsqu’ils sont chauffés.

Une nouvelle idée, une nouvelle approche

Nous proposons une approche inédite : concevoir des matériaux cellulaires solides (imprimés en 3D), dont la forme et les propriétés mécaniques évoluent de manière contrôlée sous l’effet d’une dé-pressurisation interne ; avec une approche interdisciplinaire également novatrice.

Cet actionnement par dé-pression est nouveau, permettant des déformations réversibles de grande amplitude mais posant de nouvelles questions fondamentales. L’autre originalité du projet est son interdisciplinarité: la collaboration entre Mécanique-Physique expérimentale (PMMH), et Informatique Graphique (problèmes inverses au LJK et imprimabilité au LORIA). Ces disciplines se découvrent des intérêts communs, mais encore peu de contact, et peut donc s’attendre à des avancées importantes si l’on utilise outils et points de vue développés séparément.

Dans cette thèse (financement Mission Interdisciplinarité du CNRS), on veut développer un matériau-machine programmable, capable de se déformer en une géométrie cible (quand mis en de-pression interne). On cherchera donc à déterminer l’architecture interne de motifs cellulaires anisotropes (feuillets, tubes, quinconces, qui sont prometteurs); à optimiser leur imprimabilité et leurs caractéristiques mécaniques. Il s’agira ensuite de déterminer la distribution de déformations nécessaires pour obtenir des formes complexes (problème inverse). Finalement, on cherchera à produire automatiquement les architectures internes imprimables, et on testera expérimentalement ces nouveaux matériaux à changements de forme (scan 3D, tests mécaniques).
Dans ce travail interdisciplinaire, le curseur entre les disciplines pourra être ajusté, mais on s’appuiera forcément sur les compétences de chacun des 3 laboratoires (où des séjours sont à prévoir), ouvrant ainsi un nouveau domaine d’interdisciplinarité, prometteur.

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Profil recherché :

M2 en physique, mécanique, ou informatique graphique.
Goût pour l’expérimentation (mécanique-physique, impression 3D), pour la programmation et les méthodes numériques (optimisation, simulation…) 

Contact :

PMMH (ESPCI, sur le Campus Jussieu, Paris 5eme)
José Bico, jose.bico@espci.fr https://blog.espci.fr/jbico
Etienne Reyssat etienne.reyssat@espci.fr
Benoît Roman benoit.roman@espci.fr https://blog.espci.fr/benoitroman

LJK (Genoble) ; équipe CRAFT
Mélina Skouras, melina.skouras@inria.fr, https://imagine.inrialpes.fr/people/mskouras/index.htm
Georges-Pierre Bonneau, georges-pierre.bonneau@inria.fr, https://team.inria.fr/craft/georges-pierre-bonneau/

LORIA (Nancy) : équipe MFX
Camille Schreck, camille.schreck@inria.fr   schreckc.github.io
Sylvain Lefebvre, sylvain.lefebvre@inria.fr https://antexel.com/sylefeb/research/

https://www.lemonde.fr/sciences/article/2025/06/04/comment-se-cree-la-chiffonnade-de-tete-de-moine-une-question-de-physique_6610511_1650684.html

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Pourquoi quand on découpe ce fromage suisse cela génère des fleurs aux bords dentelés ? Des chercheurs ont décrypté le mécanisme à l’œuvre, la « frustration géométrique »… 

Par David LarousseriePublié hier à 13h30

L’histoire des sciences retiendra que c’est en France qu’un chercheur chinois a résolu l’énigme d’un fromage suisse. Jishen Zhang, en postdoctorat à l’ESPCI Paris, physicien, a voulu comprendre comment la rotation d’une lame sur le célèbre fromage en forme de cylindre, la tête de moine, découpe de fines tranches plissées s’enroulant en forme de fleurs aux bords dentelés. « Jishen, qui travaillait dans un laboratoire voisin, est venu nous voir car nous avions étudié des formes analogues en déchirant du plastique », se souvient Benoît Roman, chercheur CNRS, coauteur avec son collègue et deux autres membres de l’ESPCI de l’article dans Physical Review Letters du 21 mai qui révèle les secrets de la tête de moine.

En déchirant un sac plastique, l’étirement des extrémités est plus grand qu’au niveau du point de rupture. Cette différence contraint le bord à se courber en vagues multiples. Idem pour les feuilles de salade ou d’orchidée dans lesquelles des croissances plus actives dans des directions différentes engendrent des contraintes géométriques obligeant la feuille plate à se gondoler. Ce principe dit de « frustration géométrique » est analogue à ce qui empêche de recouvrir un ballon avec une grande feuille plate.

La croûte et le cœur

Pour le fromage au lait de vache, cette frustration a été mise en évidence par les chercheurs, qui se sont équipés de la fameuse girolle, l’appareil qui racle circulairement le fromage depuis son centre. Ils ont marqué un secteur triangulaire de 15 degrés d’angle et constaté que la découpe n’était pas uniforme entre le bord et le cœur. Au lieu d’obtenir une forme triangulaire, comme l’aurait fait un menuisier au ciseau à bois, ils obtiennent une forme de trompette, pincée au centre et évasée vers la périphérie. Cette différence est l’origine de la frustration géométrique. Elle oblige la surface découpée à se plisser et explique l’apparition de la forme conique si particulière, qui a également l’avantage d’offrir plus de fromage en bouche que si elle était plate.

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Pourquoi cette différence entre le centre et le bord ? La vitesse de rotation angulaire n’y est pour rien. En cause, les propriétés mécaniques du fromage, différentes entre la croûte et le cœur. Ce dernier, plus mou, résiste à l’avancée de la lame légèrement enfoncée. Le fromage se ratatine, monte le long de la lame, puis retombe devant elle, augmentant localement l’épaisseur. Tout en réduisant la longueur. Alors qu’aux bords, la tomme est plus sèche et se déforme plus facilement sous l’effet de la poussée du métal. Elle garde la même épaisseur et quasiment la même taille. D’où la forme finale de trompette. Si la croûte est enlevée, alors les jolies fleurs n’apparaissent pas. « C’est une illustration supplémentaire de ce que nous avions observé avec les sacs en plastique. Un mécanisme très simple génère des formes complexes », conclut Benoît Roman.

Avec ses collègues, il veut prolonger cette logique : créer de nouvelles formes à partir de matériaux homogènes, comme une tête de moine sans croûte, mais en modifiant la manière de les découper, par exemple en faisant en sorte que la lame, plus ou moins inclinée, n’attaque pas de la même manière le fromage, un métal ou du bois, entre le centre et la périphérie. Fromage et dessert, en somme.

David Larousserie

 

Our work on the shaping of tête de moine  DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.208201   (or you can check it here)

• is on the cover of PRL  https://journals.aps.org/prl/covers/134/20
• was selected as Editor’s suggestion
  
• and featured  in Physics   https://physics.aps.org/articles/v18/s6

We show that the cheese chip undergoes a very large plastic flow during scraping, which thickens (and shortens) more inside than close to the periphery. The distorted length distribution (metric) produces a complex shape, very similar to the lettuce or the edge of a plastic bag….

VOIR L’ENREGISTREMENT ICI : https://www.pca-stream.com/fr/explore/neo-composites/

L’agence d’architecture PCA organise un cycle de conférence Alma Matter pour réfléchir à l’utilisation de matériaux en architecture dans un monde en tension

Nous avons présenté nos systèmes à changement de forme lors de la conférence du 5 juin , qui sera bientôt mise en ligne.

Nous avons organisé le 22 avril une journée en l’honneur d’Etienne Guyon qui nous a quitté l’été dernier.

La journée a été enregistrée par Adam Guyon, en deux parties :

Le lendemain (23 avril) a eu lieu une journée du GDR MePhy, en clin d’œil à Etienne :  on y a vu beaucoup de petites manips d’illustrations qui l’auraient excité et enchanté…

https://mephysociety.wordpress.com/mephy-day-scientific-day-etienne-guyon/

Tian Gao’s poster has won the APS Gallery of soft matter 2024. see here https://engage.aps.org/dsoft/gallery/gallery/mm24-gallery

 

 

 

 

This is also picked in  March 8 2024 edition of  Physics 17, 41. Check the link

 

Un beau poster présenté par Nathan à la Gallery of Soft Matter (APS March Meeting 2024)