Elastocapillary windlass: from spider silk to smart actuators
Le treuil élastocapillaire : de la soie d'araignée aux actionneurs intelligents
Résumé
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The goal of this PhD thesis was to understand and recreate artificially a self-assembling mechanism
involving capillarity and elasticity present in natural spider silk. The primary function of the micronic
glue droplets that exist on spider capture silk is to provide the spider web with adhesive properties, crucial
in attaining efficiency as a food trap. These droplets play yet another role: the dramatic enhancement
of silk mechanical properties, as well as the preservation of the integrity of the web structure. This is due
to the localization of the buckling instability within the liquid glue droplets, site of over-compression
due to the capillary meniscii. This leads to local coiling of the fibre, and retightening of the overall
system. In effect, this is a micronic automatic coiling system that is powered by capillarity, and is thus
coined elasto-capillary windlass.
The first part of my thesis aimed to the characterization of natural samples and visualization of the
natural windlass. This required adjustements of environmental parameters (especially relative humidity),
microscopic observations and sub-micronewton force measurements both in compression and in
tension, as well as image analysis and technical problem solving. We have found that the local shape
of the fibre is intimately linked to the mechanical properties of the overall sample. The existence of the
windlass mechanism implies that under compression this special drop-on-fibre system behaves like a
liquid, whereas under tension it has a classical elastic spring regime. Spiders have thus found a way to
create liquid-solid mechanical hybrids using shape-induced functionalisation.
We use a fully mechanical model to explain this unique behaviour, as well as an analogy with phase
transition formalism. Using a drop-on-deformable-fibre system, we show that if the wetting energy is
higher than the bending energy, the system “activates” and in-drop coiling begins. Numerical simulations
of 3D elastica under local soft confinement potential reproduce the observed link between local
fibre shape and mechanical response. We then fabricate centimeter-long micronic soft fibres, by melt
spinning or wet spinning of thermoplastic polymers, and show that the simple addition of a wetting
liquid droplet makes for an effective system with mechanical properties quantitatively close to that of
spider capture silk. Further experimental characterization of the created drop-on-coilable-fibre systems
was found to agree with predictions from numerical simulations and theory, especially for properties
such as the threshold for activation, the existence of an hysteresis, the fine details of the stress-strain
curve, or the influence of gravity and of the deformability of the droplet interface.
We further showed that the drop-on-coilable-fibre systems can be enriched by the addition of new
degrees of freedom, such as using several fibres, temperature changes or evaporation. This led to the design
of actuators and sensors, as well as a new technique for 3D microfabrication, showing the potential
of increasingly complex cases of drop-on-coilable-fibre systems, both technologically and academically.
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Le but de cette thèse était de comprendre et recréer artificiellement un mécanisme d’autoassemblage
faisant appel aux notions de capillarité et d’élasticité dans la soie d’araignée. La fonction première des
gouttes de glue microniques qui existent sur la soie d’araignée dîte de capture est de fournir à la toile ses
propriétés adhésives, cruciales pour atteindre une efficacité digne d’un piège. Ces gouttes jouent pourtant
un autre rôle : elles améliorent de façon spectaculaire les propriétés mécaniques de la soie, et permettent
par la même occasion de préserver l’intégrité structurelle de la toile. Ceci est dû à la localisation de
l’instabilité de flambage au sein des gouttes de glue, qui sont le site d’une surcompression de la part
des ménisques capillaires, ce qui provoque un enroulement local de la fibre, et la retension du système
entier. Ceci constitue un microsystème d’enroulement automatique qui tire son énergie de la capillarité,
qui sera appelé treuil élasto-capillaire.
La première partie de ma thèse fut dédiée à la caractérisation d’échantillons naturels et à la visualisation
du treuil naturel, à travers le réglage de paramètres d’environnement, des observations microscopiques,
des mesures de forces sub-micronewtons en compression et en tension, mais aussi de
l’analyse d’image et la résolution de problèmes techniques. Les mesures indiquent qu’il y a un rapport
intime entre la forme locale de la fibre et les propriétés mécaniques de l’ensemble de l’échantillon.
L’existence du phénomène de treuil implique que ce système spécial de gouttes sur fibre se comporte
sous compression comme un liquide, alors que sous tension il possède un régime de ressort élastique
classique. Les araignées ont donc trouvé un moyen de construire des hybrides mécaniques liquide-solide
grâce à une technique de functionalisation induite par forme.
Nous avons utilisé un modèle complètement mécanique pour expliquer ce comportement unique,
ainsi qu’une analogie avec le formalisme des transitions de phases. Nous modélisons ce système comme
une goutte sur une fibre déformable, et montrons que si l’énergie de mouillage est supérieure à l’énergie
de courbure, le système “s’active” et l’enroulement en goutte commence. Des simulations numériques
du problème de l’elastica 3D sous compression locale dans un potentiel de confinement mou reproduit
le lien observé entre la forme locale de la fibre et la réponse mécanique. Nous fabriquons ensuite des
fibres flexibles de taille micronique et longues de plusieurs centimètres par extrusion de polymères thermoplastiques,
et montrons que le simple dépôt d’une goutte de liquide mouillant permet par la suite la
création efficace d’un système ayant des propriétés mécaniques proches de celles de la soie d’araignée de
capture. La caractérisation expérimentale des systèmes de goutte sur fibre enroulable est en accord avec
les simulations numériques et la théorie, notamment pour des propriétés telles que le seuil d’activation,
l’existence d’un hystérésis, les détails subtils de la courbe contrainte-déformation, ou encore l’influence
de la gravité et de la déformabilité de la surface de la goutte. Nous montrons ensuite que les systèmes de
goutte sur fibre enroulable peuvent être enrichi par de nouveaux degrés de liberté, tels que l’utilisation de
plusieurs fibres, les changements de température ou la possibilité d’évaporation. Ceci a mené à la conception
d’actionneurs et de capteurs, ainsi qu’à une nouvelle technique de microfabrication 3D, révélant
le potential de situations de plus en plus complexes, tant technologiquement qu’académiquement.
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