Modélisation du comportement en fatigue des composites d'hydrogel architecturés

Modélisation du comportement en fatigue des composites d'hydrogel architecturés // Modelling of fatigue behaviours of architected hydrogel composites

Réf ABG-135048

ADUM-68477

Sujet de Thèse

13/01/2026

Contrat doctoral

École nationale supérieure de techniques avancées

Lieu de travail

Palaiseau - Ile-de-France - France

Intitulé du sujet

Modélisation du comportement en fatigue des composites d'hydrogel architecturés // Modelling of fatigue behaviours of architected hydrogel composites

Mots clés

hydrogel, fatigue, composites artichecturés

hydrogel, fatigue behavior, architected hydrogel composites

Description du sujet

Les hydrogels sont des réseaux polymères tridimensionnels contenant de l'eau. Grâce à leurs propriétés modulables et à leur nature unique, biocompatible, ultra-flexible et multifonctionnelle, les hydrogels se sont imposés comme l'un des matériaux avancés les plus prometteurs du XXIe siècle, avec de vastes applications potentielles en robotique souple, en sciences biomédicales et dans les domaines de l'énergie et de l'environnement [1, 2]. Dans la plupart de ces applications potentielles, les composants en hydrogel sont soumis à des charges cycliques. Une bonne résistance à la fatigue est donc essentielle. Récemment, s'inspirant des tissus vivants (par exemple, les tendons, le péricarde bovin) capables de fonctionner pendant des années, des composites d'hydrogel contenant des squelettes internes hiérarchisés ont été développés. Malheureusement, les études sur le comportement en fatigue de ces nouveaux matériaux sont encore à leurs débuts [3-5]. La modélisation et la simulation systématiques des matériaux à différentes échelles, visant à élucider le mécanisme de fatigue, sont rarement rapportées dans la littérature.

Ce projet vise à étudier théoriquement le mécanisme de fatigue des composites d'hydrogel architecturés. Des modèles multi-échelles (du modèle de dynamique moléculaire à l'échelle nanométrique au modèle par éléments finis à l'échelle macroscopique) seront développés dans un premier temps. Ces modèles seront validés à l'aide des données expérimentales existantes issues de la littérature. Ils serviront ensuite à simuler le comportement mécanique de composites d'hydrogel architecturés sous charges cycliques. Des composites d'hydrogel contenant diverses structures internes hiérarchisées seront étudiés. Les mécanismes physiques permettant d'améliorer la résistance à la fatigue de ces composites seront analysés plus en détail. Enfin, à partir des nombreux résultats de simulation obtenus, une optimisation multi-échelle des composites d'hydrogel architecturés, assistée par l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique (AA), sera réalisée afin d'obtenir des propriétés de fatigue optimales.

[1] E. Martinelli et al., Sci Adv 10, eadp

[2] C. Liu et al., Nat Water 3, 714–

[3] B. Xue et al., Nat Commun 14,

[4] Z. Han et al., Adv Funct Mater 34,

[5] S. Sukamto et al., Soft Matter 21,

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Hydrogels are 3D polymer networks containing water. Due to their adjustable properties and unique bio-compatible, ultra-flexible and multi-functional natures, hydrogels have emerged as one of the most promising advanced materials in the 21st century, with vast potential applications in soft robotics, bio-medical science, and energy and environmental sciences [1, 2]. In most of these potential applications, hydrogel components are subjected to cyclic loads. Thus, good fatigue resistance is required. Recently, inspired by the living tissues (e.g., tendon, bovine pericardium) that can work for years, hydrogel composites containing hierarchical inner lattice skeletons have been developed. Unfortunately, studies on the fatigue behaviours of these new materials are still at a nascent stage [3 5]. Systematic material modelling and simulation at different scales to reveal the fatigue mechanism are seldom reported in the literature.

This project aims to theoretically investigate the fatigue mechanism of architected hydrogel composites. Multi-scale models (from nanoscale molecular dynamics model to macroscale finite element model) will be developed first. The models will be validated by the existing experimental data in the literature. Then, the validated models will be used to simulate the mechanical behaviours of architected hydrogel composites under cyclic loads. Hydrogel composites containing various hierarchical inner lattice skeletons will be studied. The physical mechanisms to improve the fatigue properties of hydrogel composites will be further unveiled. Lastly, based on the vast simulation results, AI (artificial intelligence) and ML (machine learning) assisted multi-scale optimisation of the architected hydrogel composites will be conducted for the optimal fatigue properties.

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Début de la thèse : 01/10/2026

Nature du financement

Contrat doctoral

Précisions sur le financement

Concours pour un contrat doctoral*Financement CSC*

Présentation établissement et labo d'accueil

École nationale supérieure de techniques avancées

Etablissement délivrant le doctorat

École nationale supérieure de techniques avancées

Ecole doctorale

626 Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris

Profil du candidat

Master ou ingénieur en mécanique ou matériaux. Un goût pour l'expérimental.

Master in mechanical or material engineering.

Date limite de candidature

15/01/2026

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