As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a Bioengenharia, seja para o bombeamento de sangue ou dosagem de reagentes e medicamentos, e na área de refrigeração de equipamentos eletrônicos. Muitos dos novos princípios aplicados no desenvolvimento desse tipo de bomba de fluxo baseiam-se no uso de atuadores piezelétricos. Esses atuadores apresentam certas vantagens em relação a outros tipos tradicionalmente utilizados, como maior potencial de miniaturização, menor geração de ruídos e número reduzido de partes móveis. Entre os vários tipos de bombas de fluxo piezelétricas destacam-se as baseadas nos movimentos ondulatórios e oscilatórios, como o nadar dos peixes. É bem conhecido que os peixes ao nadarem não provocam a morte de micro-organismos ao seu redor, o que torna esse princípio bem promissor para as aplicações em Biotecnologia, por exemplo. Assim, o presente trabalho de mestrado dedica-se ao estudo de novas configurações de atuadores piezelétricos bilaminares associados em paralelo e série para bombeamento de líquidos através do princípio oscilatório, a fim de se obter maiores vazões ou pressões. O escopo deste projeto abrange, computacionalmente, análises estruturais de atuadores piezelétricos bilaminares e simulações do escoamento de fluido e, experimentalmente, construções de protótipos para validação de resultados. Inicialmente é investigado o comportamento de um único atuador piezelétrico bilaminar em fluido viscoso (água), a fim de se dominar o princípio de funcionamento proposto neste trabalho. Esse estudo serviu de referência para as configurações de atuadores em série e paralelo propostas. Espera-se que a configuração dos atuadores em paralelo apresente um ganho na vazão de saída, enquanto que a configuração dos atuadores em série apresente um ganho na pressão de saída. Ao longo desta dissertação são apresentadas a metodologia empregada e as discussões dos resultados obtidos, de forma a analisar o princípio proposto e os fenômenos físicos em questão. / Flow pumps, in addition to traditional applications in Engineering, are important tools in areas such as Bioengineering, applied to blood pumping, dosage of medicine and chemical reagents, and in the field of thermal management solutions for electronic devices. Many of the new principles in flow pumps development are based on the use of piezoelectric actuators. These actuators present some advantages in relation to other applied types, for example, miniaturization potential, lower noise generation and fewer numbers of moving parts. Flow pumps based on undulatory and oscillatory movements, such as fish swimming, stand out among the various types of piezoelectric flow pumps. It is well known that fish swimming does not cause the death of microorganisms, what makes this principle applicable in Biotechnology, for example. Thus, the objective of this work is to study parallel-cascade configurations of bimorph piezoelectric actuators for liquid pumping based on the oscillatory principle, in order to obtain higher flow rates and pressure. The scope of this work includes structural and analyses of bimorph piezoelectric actuators and fluid flow simulations, and construction of prototypes for result validation. First, it is investigated the behavior of a single bimorph piezoelectric actuator oscillating in viscous fluid (water) to better understand the working principle used in this work. The study of a single piezoelectric actuator was used as a reference for the other proposed parallel-cascade configurations of actuators. It is expected that parallel actuators achieve higher flow rates, while the series actuators achieve higher pressures. The methods employed are presented and the obtained results are discussed, analyzing the principle and the related physical phenomena.

Este trabalho apresenta a modelagem, identificação de parâmetros e projeto do sistema de controle de um atuador rotacional antagônico com refrigeração forçada baseado em fios de liga de memória de forma, tendo em vista a aplicação em manipuladores robóticos. O modelo é baseado na abordagem de transformação de fases por subcamadas, que leva em conta a alta não linearidade que ocorre devido à dinâmica de transformação de fases do fio de memória de forma (especialmente a alta histerese envolvida). Um algoritmo de otimização por meio de Programação Quadrática Sequencial é então usado para se estimar os parâmetros do modelo de difícil obtenção exata, como as temperaturas de transição de fase dos fios de liga de memória de forma e o coeficiente de convecção. A função objetivo adotada é o erro entre a posição medida experimentalmente e a posição obtida por meio de modelagem e simulação. Parte-se de valores de parâmetros iniciais de tabela para a aplicação do algoritmo. Os resultados são em seguida comparados e avaliados com experimentos independentes em malha aberta, com o modelo apresentando boa correlação com a planta para uma excitação de até 2,0 Hz. Por fim, um sistema de controle não linear por modos deslizantes baseado no modelo é desenvolvido e simulado utilizando o modelo estimado, tanto em modo de controle de torque como em controle de posição. Aplica-se um controlador com camada limite e linearização utilizando a realimentação dos estados e o modelo estimado. Este tipo de controlador é robusto a eventuais diferenças entre o modelo e o sistema real. O controlador é então utilizado num modelo sistema de experimental, a partir do qual são obtidos resultados de desempenho dinâmico e exatidão do atuador controlado ao mesmo tempo em que são feitas comparações com os resultados das simulações. Por fim, demonstra-se que os objetivos iniciais do trabalho são atingidos, ao se realizar satisfatoriamente o controle de posição e de torque com robustez, exatidão e desempenho dinâmico adequados à aplicação prevista. / This work presents the modeling, grey-box parameter estimation and control design of a force-cooled antagonistic shape memory alloy (SMA) rotational actuator, having in mind the application in robotic manipulators. The model is based on a sub-layer phase transformation approach, taking account the large non-linearities that rise from the phase-transformation dynamics (in special, the highly hysteretic dynamics). An optimization Quadratic Sequential Programming Algorithm is used to for estimate estimating the model parameters, which are hard to obtain accurately, like the such as phase transition temperatures of the shape memory alloy wires and the convection coefficient. The objective function adopted is the error between the experimentally measured position and the position obtained by means of modeling and simulation. Initial parameters for the algorithm application are taken from factory tables\' datasheets. The results are then compared and evaluated with independent open loop experiments. At last, a model based nonlinear shape memory alloy SMA control scheme is designed and simulated using the estimated model, in torque and position control modes. The control scheme applied uses limit layer and feedback linearization using based on the estimated model. This control scheme is robust to eventual mismatch between modeling and the real system. The controller is then used in an experimental model, from which results of dynamic behavior and accuracy of the controlled actuator are obtained and compared with the simulated results. At last, it is showed that the initial objectives of this work are achieved, by satisfactorily performing position and torque control with robustness, accuracy and dynamic performances adequate to the application targeted.

As ligas com memória de forma (Shape Memory Alloy - SMA) consistem em um grupo de materiais metálicos que possuem a habilidade de retornar a um formato ou tamanho previamente definido quando submetidas a um ciclo térmico adequado, devido a alterações em sua estrutura cristalina. Esta mudança não é um processo termodinamicamente reversível, apresentando, conseqüentemente, histerese. Portanto, a característica principal destes materiais é a habilidade de sofrer grandes deformações e, em seguida, recuperar sua forma original quando a carga é removida ou o material é aquecido. Assim, pode-se utilizar esse fenômeno para construir atuadores leves e silenciosos, como verdadeiros músculos metálicos. O desenvolvimento de atuadores com as SMAs apresenta grande atrativo para diversos campos da engenharia, principalmente na área de robótica, substituindo os atuadores convencionais de grande peso e ruidosos, como motores, válvulas solenóides, etc. Entretanto, para o bom desempenho de atuadores SMA requer-se um complexo sistema de controle e resfriamento, reduzindo-se o tempo de resposta do atuador e minimizando-se os efeitos da histerese. Neste trabalho, propõe-se um inovador sistema de resfriamento, baseado em pastilha termo-elétrica (efeito Seebeck-Peltier). Este método possui a vantagem de ser mais compacto e simples que outros métodos de resfriamento forçado. Um modelo matemático completo foi também desenvolvido, e um protótipo experimental foi construído. Diversos experimentos foram utilizados para a validação do modelo e para a identificação de todos seus parâmetros. Analisou-se então a aplicabilidade de um controle de posição baseado em algoritmo PID, utilizando-se diversos métodos de ajuste de ganhos. Verificou-se um desempenho razoável, com uma largura de banda em malha fechada de aproximadamente 0,37Hz. Em seguida, desenvolveu-se um sistema de controle de posição baseado em teoria de modos deslizantes (sliding mode control), que utiliza o modelo matemático do sistema e leva em conta as não linearidades existentes. Embora matematicamente mais complexo, obteve-se um desempenho superior ao PID, com largura de banda de 0,69Hz. Diversos experimentos confirmaram também a robustez deste controlador e seu bom desempenho na presença de distúrbios. / Shape Memory Alloys (SMA) consist of a group of metallic materials that demonstrate the ability to return to some previously defined shape when subjected to the appropriate thermal cycle, due to shift in the materials crystalline structure. The change that occurs within SMAs crystalline structure is not a thermodynamically reversible process and results in hysteresis behavior. The key feature of these materials is the ability to undergo large plastic strains and subsequently recover these strains when a load is removed or the material is heated. Such property can be used to build silent and light actuators, similar to a mechanical muscular fiber. SMA actuators have several advantages in several engineering fields, mainly in robotics, replacing the conventional actuators like motors or solenoids. However, the good performance of the SMA actuator depends on a complex control and cooling systems, reducing the time constant and minimizing the effects of hysteresis. In the present work, a novel cooling system is proposed, based on thermo-electric effect (Seebeck-Peltier effect). Such method has the advantage of reduced weight and requires a simpler control strategy compared to other forced cooling systems. A complete mathematical model of the actuator was also derived, and an experimental prototype was implemented. Several experiments were used to validate the model and to identify all parameters. A PID position control system was developed and implemented in the prototype, using several tuning methods. A good performance was obtained, with a cut-off frequency of 0.37Hz. A position controller based on sliding mode theory was then developed, using the mathematical model of the system and taking into account the non-linear effects. Although such controller presents a more complex mathematical derivation, a better performance was obtained, with a cut-off frequency of 0.69Hz. Several experiments confirmed the robustness and disturbance filtering properties of the sliding mode controller.

Este trabalho foca o estudo e desenvolvimento de um atuador linear com ímãs permanentes aplicado a sistemas de suspensão ativa, com ênfase em suspensão veicular. Seu desenvolvimento considera aspectos específicos como força, volume, razão força/volume, curso e resposta em frequência. Junto ao estudo teórico desenvolve-se o projeto baseado na simulação paramétrica em elementos finitos que analisa aspectos qualitativos e quantitativos importantes para tomada de decisão do projeto, especificamente na definição de materiais e geometrias. Para servir como ferramenta de análise foi empregada uma modelagem analítica que se mostrou eficiente, pois foi capaz de produzir resultados de forma mais rápida que o método de elementos finitos para avaliar grandezas de interesse como força e densidade de fluxo magnético. Por fim e com base nos aspectos de projeto, foi construído um protótipo que permitiu validar os modelos. Os resultados experimentais e teóricos mostraram boa concordância o que permite concluir que os métodos empregados são eficazes, fornecendo subsídios à aplicação em foco. / This work aims the study and development of a linear actuator with permanent magnets applied to active suspension systems, with emphasis on vehicular suspension. That development takes into account specific features such as force, volume, force per volume ratio, stroke and frequency response. Together with the theoretical study the design of the actuator is carried out based on parametric simulation by means of finite elements which analyses qualitative and quantitative aspects that are important to make the project decision, specifically to define materials and geometry. To suit as an analysis tool it was employed an analytical modelling, which showed to be efficient because it was capable of producing faster results than the finite elements method to evaluate physical quantities of interest such as force and magnetic flux density. Finally and based on project aspects, a prototype was built which allowed to validate all models. Experimental and theoretical results showed a good agreement which led to conclude that the employed methods are efficient, providing subsidies to the studied application.

Este trabalho apresenta a formulação de um problema de otimização topológica para o posicionamento ótimo de atuadores baseado na teoria de controle. A estrutura é composta por dois materiais: um material passivo elástico e um material ativo piezelétrico, ambos lineares. Pretende-se obter um sistema de controle no qual todos os estados sejam controláveis. O processo de otimização topológica busca a distribuição de material piezelétrico que maximize o menor autovalor do Gramiano de controlabilidade garantindo, assim, sua não singularidade e, consequentemente, que o sistema seja completamente controlável. Programação linear sequencial (SLP) é utilizada para a solução do problema de otimização e as sensibilidades para o modelo de elementos finitos são deduzidas para a função objetivo e restrições. Análises modais das topologias ótimas são utilizadas para a definição de um controlador LQR e as respostas das estruturas controladas submetidas à uma carga impulsiva são analisadas. / This work presents a topology optimization formulation for the actuator placement based on the control theory. The structure is composed by two materials: a passive elastic material and an active piezoelectric material, both linear. The aim is to obtain a control system which all states are controllable. The topology optimization process searches the piezoelectric material distribution which maximizes the smallest eigenvalue of the controllability Gramian ensuring its non-singularity and, therefore, the system is completely controllable. Sequential linear programming (SLP) is used to solve the optimization problem. The sensitivities for the finite element model were derived for the objective function and constraints. Modal analysis from the optimal topologies were employed in an LQR controller and the responses for the controlled structures submitted to an impulsive load are analyzed.

A sensibilidade eletromecânica dos transdutores de eletretos poliméricos resulta em muitas aplicações na engenharia, que motivaram a produção industrial de um filme não homogêneo e eletricamente carregado, denominado filme eletromecânico ou EMFi (ElectroMechanical Film). Um dispositivo alternativo a este EMFi, produzido em nosso laboratório, foi o resultado de uma bolha de ar homogênea termoformada, unida por dois filmes de teflon FEP. Este dispositivo possui uma estrutura similar ao EMFi, mas permite cavidades homogêneas a serem predefinidas e distribuídas no momento em que o dispositivo é produzido, diferindo das células no EMFi com tamanhos diversos e dispersas no interior do filme industrial. A possibilidade de controlar a geometria das bolhas de ar tornou possível o desenvolvimento de um modelo, empregado como uma ferramenta de projeto. A resposta eletromecânica deste transdutor foi modelada e então apresentada neste trabalho. Este modelo analítico avalia o desempenho destes transdutores com somente uma bolha termoformada, para efeitos de simplificação, baseado em capacitores em série, em função da deformação mecânica e da carga elétrica retida no polímero. São representados dinamicamente com parâmetros elétricos e mecânicos, definidos à medida que operam como sensores ou atuadores, com respeito ao limites impostos pela aplicação especificada. O gráfico da resposta em freqüência mostra a freqüência de ressonância e a largura da faixa para meia-amplitude que determina o coeficiente de amortecimento que não pode ser obtido diretamente do modelo analítico. Este gráfico também permite comparar a freqüência natural obtida graficamente com aquela calculada pelo modelo, tornando mais confiável o modelo desenvolvido para o transdutor. Finalmente, melhorias na instrumentação e em condições mais adequadas para os testes são sugeridas, bem como métodos alternativos para trabalhos futuros. / The electromechanical sensibility of polymeric electrets transducers yields many engineering applications which have motivated industrial production of a non-homogeneous and electrically charged film, the so-called electromechanical film (EMFi). An alternative device for this EMFi that has been produced in our laboratory was a homogeneous thermo-formed air bubbles bonded with two teflon FEP films. This device has a structure similar to the EMFi, but allows the homogeneous voids to be pre-defined and distributed at the moment the device is produced, differing the EMFi voids with diverse sizes and dispersed into the industrial film. The possibility to control the air bubbles geometry makes possible the development of a model to be used as a design tool. The electromechanical response of this transducer has been modeled and is presented in this work. Such analytical model evaluates the transducers performance using just a single thermo-formed bubble for simplification purposes, based on series capacitors, which are function of the mechanical deformation and electrical charge trapped in the polymer. They are represented dynamically, with electrical and mechanical parameters being defined as they work as sensors or actuators, regarding the limits imposed by the specified application. A frequency response plot shows the resonance frequency and the bandwidth for the half amplitude, which determines the damper coefficient that cannot be obtained directly from the analytical model. This plot also allows comparison of the natural frequency obtained graphically with the calculated one using the model, making more reliable the transducer model developed. Finally, instrumentation improvements and more suitable test conditions are suggested, as well as alternative methods for future works.

De maneira geral, a necessidade de melhorar o desempenho e diminuir o tamanho de sistemas mecatrônicos tem levado a indústria moderna a desenvolver mecanismos de posicionamento com características excelentes de aceleração e precisão. O uso de posicionadores em equipamentos de precisão, em particular no posicionamento da ferramenta/peça na usinagem de ultraprecisão, deve-se à necessidade de se obter rígido controle do perfil a ser fabricado. Neste sentido, foi desenvolvido no Laboratório de Engenharia de Precisão da EESC-USP um microposicionador angular rotativo capaz de monitorar a posição da ferramenta em relação à peça durante o processo de usinagem e fazer as devidas compensações de erros, além da possibilidade de obtenção de geometrias diferenciadas. Neste trabalho encontram-se estudos referentes à aplicação do método dos elementos finitos com o intuito de verificar a funcionalidade do sistema mecânico proposto, avaliando suas características estáticas e dinâmicas. Além disso, propõe-se validar o uso de redes neurais artificiais como ferramenta capaz de auxiliar no desenvolvimento de um algoritmo de identificação de imagens, baseado no conhecimento, que emprega como elemento multi-sensor, imagens interferométricas, representando posições. Dentre as principais características a serem alcançadas pelo algoritmo idealizado está a habilidade de identificar a posição de uma superfície justaposta ao sistema microposicionador angular e, assim, permitir maior rapidez de processamento das informações, possibilitando seu emprego em sistemas de controle em tempo real. A aplicação desta técnica foi avaliada por meio de simulação e apresenta resultados significativos para incentivar pesquisas envolvendo imagens interferométricas. / In broad terms, to achieve high performance and miniturization of mechatronic systems it is necessary to develop positioning mechanisms with high response and precision. The use of positioning devices compatible with precision equipment, particularly in the positioning of a tool relative to a workpiece in ultraprecision machining, results from the need for absolute control of the dimensions of cut. A microtilt stage was developed in the Precision Engineering Laboratory of EESC-USP which is capable of monitoring the position of a diamond tool relative to a workpiece, in-process, permiting error compensation and the generation of complex forms. Finite Element Method is applied to perform a functional analysis (static and dynamic) of the mechanical parts. The use of artifitial neural networks as a tool to help the development of an algortithm for the identification of images is proposed. This algorithm is based on knowledge and employs interferograms as a multi-sensor element representing positions. One desired characteristic of the proposed algorithm is its ability to perform the identification of the position of a surface on the tilt stage and to permit fast processing of the information. This turns the device appropriate to be used in real time applications. This technique was assessed by simulation and presented significant results, encouraging further researches envolving interferometric pattern recognition.

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

Dans les systèmes mécaniques ou mécatroniques, les actionneurs sont les composants utilisés pour convertir l’énergie d’entrée, généralement l’énergie électrique, en tâche mécanique telles que le mouvement, la force ou une combinaison des deux. Actionneur analogique et actionneur numérique sont les deux types d’actionneurs les plus communs. Les actionneurs numériques possèdent les avantages du contrôle en boucle ouverte, faible consommation d’énergie par rapport aux actionneurs analogiques. Cependant, les actionneurs numériques présentent deux inconvénients majeurs. Les erreurs de fabrication de ces actionneurs doivent être contrôlées précisément parce que, contrairement à des actionneurs analogiques, une erreur de fabrication ne peut pas être compensée par la loi de commande. Un autre inconvénient est leur capacité à réaliser les tâches continues en raison de leur corse discrète. Un assemblage de plusieurs actionneurs numériques peut néanmoins réaliser des tâches multiples discrètes. Cette thèse porte sur la caractérisation et l’optimisation d’une conception expérimentale actionneurs tableau numériques pour l’application planaire de transport. Le premier objectif principal de la présente thèse est axé sur la caractérisation de l’ensemble des actionneurs existants et aussi une application planaire de transport sur la base du tableau des actionneurs. A cette fin, une modélisation de la matrice des actionneurs essais expérimentaux ont été effectués afin de déterminer l’influence de certains paramètres sur le comportement des actionneurs de tableau. Le deuxième objectif est de concevoir une nouvelle version du tableau actionneurs sur la base de l’expérience du premier prototype. Une optimisation de la conception a ensuite été réalisée en utilisant des techniques d’algorithmes génétiques tout en tenant compte de plusieurs critères. / In mechanical or mechatronical systems, actuators are the components used to convert input energy, generally electrical energy, into mechanical tasks such as motion, force or a combination of both. Analogical actuator and digital actuator are two common types of actuators. Digital actuators have the advantages of open-loop control, low energy consumption and etc compared to analogical actuators. However, digital actuators present two main drawbacks. The manufacturing errors of these actuators have to be precisely controlled because, unlike to analogical actuators, a manufacturing error cannot be compensated using the control law. Another drawback is their inability to realize continuous tasks because of their discrete stroke. An assembly of several digital actuators can nevertheless realize multi-discrete tasks. This thesis focuses on the experimental characterization and optimization design of a digital actuators array for planar conveyance application. The firs main objective of the present thesis is focused on the characterization of the existing actuators array and also a planar conveyance application based on the actuators array. For that purpose, a modeling of the actuators array and experimental test has been carried out in order to determine the influence of some parameters on the actuators array behavior. The second objective is to design a new version of the actuators array based on the experience of the first prototype. An optimization of the design has then been realized using genetic algorithm techniques while considering several criteria.

La nature fournit une source d'inspiration intarissable pour les ingénieurs, soit en exhibant de nouvelles solutions à des problèmes d'ingénierie existants ou en les mettant au défi de développer des systèmes possédant de nouvelles fonctionnalités. Les progrès récents dans la caractérisation et la modélisation des systèmes naturels révèlent de nouveaux principes de conception, qui peuvent être de plus en plus imité par les ingénieurs grâce aux progrès dans la production et la modélisation de matériaux synthétiques. Dans cette thèse, nous sommes inspirés par des actuateurs biologiques (par exemple la pomme de pin) qui changent de forme en présence d'un stimulus externe variable en raison de leur architecture matérielle. Notre objectif est d'explorer l'espace de conception du morphing d'objets solides contrôlées par une distribution imposée des déformations inélastiques (eigenstrain). Nous nous concentrons sur des objets allongés ou minces pour lesquels une dimension est soit prédominante ou négligeable devant les deux autres (tiges et feuilles) et nous nous limitons au cadre de l'élasticité linéaire. Les motifs de changement de forme correspondent généralement à de grandes transformations, ce qui requiert de considérer une dépendance non-linéaire entre les déformations et les déplacements. L'utilisation de méthodes numériques permet de prédire ces motifs de morphing. Nous avons examiné la relaxation de ressorts, la minimisation d'énergie et les éléments finis. Ces motifs ont également été illustrés à l'aide des méthodes expérimentales telles que la pré-déformation, la dilatation thermique et le gonflement. Dans le contexte des tiges, deux morphers fondamentaux sont étudiés qui démontre la flexion et la torsion: flexeurs et torseurs. L'architecture d'eigenstrain standard du bilame à symétrie miroir peut être lissée afin de réduire la contrainte interfaciale d'un flexeur et modifiée afin de produire des flexeurs à gradient longitudinal ou hélicoïdaux. En assemblant des flexeurs en forme de nid d'abeille, la déflection relativement petite est amplifiée géométriquement et produit de relativement grands déplacements. Des simulations aux éléments finis démontre que l'architecture d'eigenstrain à symétrie de révolution proposée pour les torseurs induit une instabilité extension-torsion, laquelle est analysée en utilisant une approche énergétique. De même que pour les flexeurs, la torsion peut être variée longitudinalement en introduisant un gradient de propriétés le long du torseur. En combinant flexeurs et torseurs, une configuration arbitraire d'une tige peut être obtenue. Dans le contexte de feuilles, nous nous concentrons sur le morphing contrôlé par la diffusion, où l'eigenstrain est appliquée progressivement au lieu de instantanément, motivé par des résultats expérimentaux sur de bi-couches en polymères qui gonflent différemment en fonction de la température. Cela démontre l'enroulement selon le long côté de formes rectangulaires (au lieu de roulement côté court des flexeurs) et révèle un processus de morphing complexe en plusieurs étapes dans le cas de formes étoilés, où les bords rides et s'enroulent et l'étoile initialement plate prend un configuration trois-dimensionnelle (par exemple pyramidale). Grâce aux progrès récents dans la conception de nouveaux matériaux, les morphers présentés dans cette thèse peuvent être utilisés dans une pluralité de domaines, y compris la conception de structures macroscopiques en Architecture. / Nature provides an unlimited source of inspiration for engineers, either by exhibiting new solutions to existing problems or by challenging them to develop systems displaying new functionalities. Recent advances in the characterization and modeling of natural systems reveal new design principles, which can be increasingly mimicked by engineers thanks to the progress in the production and modeling of man-made materials. In this thesis, we are inspired by biological actuators (for example the pine cone) which change their shape under an external fluctuating stimulus as a result of their material architecture. Our goal is to explore the design space of the morphing of solid objects controlled by an imposed distribution of inelastic strain (eigenstrain). We focus on elongated and thin objects where one dimension is either much bigger or much smaller than the other two (rods and sheets) and restrict ourselves to the framework of linear elasticity. Patterns of shape change are usually induced by large transformations, which requires considering a nonlinear dependency between strain and displacements. This requires the use of numerical methods in order to predict the morphing patterns. We looked at relaxation of springs, energy minimization and finite-elements. These patterns were also illustrated using experimental methods such as pre-straining, thermal expansion and swelling. In the context of rod-like objects, two fundamental morphers are studied displaying bending and twisting respectively: benders and twisters. The standard mirror-symmetric bilayer eigenstrain architecture of benders can be smoothened in order to lower interfacial stress and modified in order to produce longitudinally graded or helical benders. By stacking benders in a honey-comb like manner, the relatively small mid-deflection of benders is geometrically amplified and produces relatively large displacements. According to finite-element simulations, the proposed rotationally-symmetric eigenstrain architecture of twisters displays a stretching-twisting instability, which is analyzed using energetical arguments. Similarly to benders, twisting can be varied along the longitudinal direction by grading the material properties along the twister. By combining benders and twisters, an arbitrary configuration of a rod can be obtained. In the context of sheets, we focus on diffusion-driven morphing, where the eigenstrain is applied progressively instead of instantaneously as motivated by experiments on thermo-responsive polymer bilayers. This leads to long-side rolling of rectangular shapes (instead of the standard short-side rolling of benders) and reveals a complex multi-step morphing process in the case of star shapes, where the edges wrinkle and bend and the initially flat star eventually folds into a three-dimensional structure (for example a pyramid). With the progress in designing new materials, the morphers presented in this thesis could be used in different fields, including the design of macroscopic structures for Architecture.