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Instant-Lab (EPFL): briser le mur de la seconde

INNOVATION

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octobre 2020


Instant-Lab (EPFL): briser le mur de la seconde

On entend parfois dire que «tout a été fait» ou presque dans le mouvement mécanique horloger. La messe serait-elle donc dite et ses codes immuables pour l’éternité? Il n’en est rien, évidemment. Et la mécanique nous réserve encore bien des surprises, comme nous le démontre le Dr Ilan Vardi, «senior scientist» auprès de la chaire Patek Philippe de l’EPFL en Michromecanical and Horlogical Design. On la désigne plus directement en parlant de l’Instant-Lab.

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nstant-Lab: un nom qui convient parfaitement à ce laboratoire d’une vingtaine de personnes qui, sous la direction du Professeur Simon Henein, s’est spécialisé «dans la création de nouveaux mécanismes comportant des innovations cinétiques et technologiques à l’échelle du centimètre». L’approche utilisée est strictement scientifique et touche à la construction mécanique dans des champs de recherche passant par l’horlogerie, le medtech et la robotique.

Les principaux projets menés en ce moment par l’Instant-Lab concernent la mécanique horlogère et l’instrumentation biomédicale, deux domaines proches technologiquement comme dans la texture de leur tissu industriel (on pense ici à tous les fournisseurs horlogers qui oeuvrent également dans le medtech, ce que reflète parfaitement l’EPHJ).

De nationalité canadienne mais né à Paris en 1957, Ilan Vardi est un mathématicien qui a accompli ses études à la McGill University de Montréal puis au Massachusets Institute of Technology de Cambridge. En dehors des nombreuses recherches qu'il a menées dans divers domaines allant de la physique aux mathématiques en passant par la science informatique, il s'est tôt penché sur l'histoire de la science, plus précisément l'histoire de la mathématique et de la chronométrie et s'est spécialisé en horlogerie, dans le domaine des oscillateurs, des échappements et des complications. Un domaine dans lequel il a déposé nombre de brevets à partir de 2010. Chercheur et enseignant auprès de nombreuses institutions et universités aux USA, au Canada et en France, auteur de nombre d'articles, conférencier, il est depuis 2013 Senior Scientist auprès de l'EPFL – Instant-Lab à Neuchâtel.
De nationalité canadienne mais né à Paris en 1957, Ilan Vardi est un mathématicien qui a accompli ses études à la McGill University de Montréal puis au Massachusets Institute of Technology de Cambridge. En dehors des nombreuses recherches qu’il a menées dans divers domaines allant de la physique aux mathématiques en passant par la science informatique, il s’est tôt penché sur l’histoire de la science, plus précisément l’histoire de la mathématique et de la chronométrie et s’est spécialisé en horlogerie, dans le domaine des oscillateurs, des échappements et des complications. Un domaine dans lequel il a déposé nombre de brevets à partir de 2010. Chercheur et enseignant auprès de nombreuses institutions et universités aux USA, au Canada et en France, auteur de nombre d’articles, conférencier, il est depuis 2013 Senior Scientist auprès de l’EPFL – Instant-Lab à Neuchâtel.

Mais au-delà de sa seule mission académique, «le laboratoire a aussi pour vocation d’établir des liens avec la culture horlogère suisse et est ouvert aux collaborations industrielles avec toutes les compagnies horlogères suisses», tient à préciser l’Instant-Lab. Un point important, car si Patek Philippe est le sponsor principal de la chaire qui porte son nom, les recherches pluridisciplinaires qui y sont menées valent pour l’ensemble de la communauté horlogère suisse.

Franchir le mur de la seconde

Le Dr Ilan Vardi mène quelquesunes de ces recherches les plus pointues dans le domaine de la régulation horlogère. Son but, directement formulé, est de «faire franchir le mur de la seconde» à la montre mécanique; que son degré de précision soit donc inférieur à la seconde par jour. Un mur sacrément résistant.

Pour le franchir, «il faut remplacer le balancier-spiral par un oscillateur à plus haut facteur de qualité», explique-t-il. Mais qu’est-ce exactement que le «facteur qualité», introduit en horlogerie il y a une quarantaine d’années par l’ingénieur anglais Douglas Bateman?

L'ÉVOLUTION DU FACTEUR DE QUALITÉ Q, DE LA BALANCE À PALETTES À AIGUILLES À L'HORLOGE ATOMIQUE
L’ÉVOLUTION DU FACTEUR DE QUALITÉ Q, DE LA BALANCE À PALETTES À AIGUILLES À L’HORLOGE ATOMIQUE

Le facteur de qualité est ce qui quantifie l’énergie que perd l’oscillateur à chacune de ses oscillations. En cause principale, les frottements. Ce facteur de qualité se calcule par le nombre d’oscillations que fait un oscillateur «en mode libre» avant que son amplitude ne décroisse pour n’atteindre plus que 4,3% de son amplitude originale puis s’arrêter.

Dans un balancier-spiral, ce facteur de qualité est au maximum à 300. Il faudrait faire 10 fois mieux pour franchir le «mur» de la seconde. Pour comparaison, le même facteur de qualité pour une montre quartz standard est environ de 100’000, voir d’un million pour les montres quartz les plus évoluées, tel le Calibre 0100 de Citizen précis à une seconde par an. La montre mécanique est-elle condamnée à rester derrière ce mur de la seconde?

Augmenter la fréquence?

Une des réponses les plus spontanées est d’augmenter la fréquence car on le constate d’expérience, une montre à 5Hz est souvent plus précise qu’une montre à 4Hz. Mais cette montée en fréquence a ses limites qui tiennent aux frottements inhérents au système mécanique du balancier-spiral dont le pivot tourne sur pierre – le rubis.

Faire monter la fréquence améliore la précision, sans conteste, comme le démontrent le diapason acoustique à 360 Hz sorti en 1960, la montre à quartz de 1967 avec ses 8’192Hz qui lui permettent de dépasser la seconde par jour, ou les 8’388’606Hz de la Citizen à 1s/an, sans même parler de l’horloge atomique au césium qui, avec ses plus de 9 milliards de Hz parvient à la précision de 1s/100’000 ans. Mais la fréquence n’est pourtant pas la seule réponse.

De l’importance de Q

Revenons au facteur de qualité, surnommé Q. Pour rappel, Q mesure le nombre d’oscillations libres avant que l’oscillateur ne s’arrête. Pour la montre bracelet, la moyenne est donc à 200. Mais dans un spiral de chronomètre de marine, qui bat pourtant à la même fréquence standard de 4Hz, la précision est 10 fois supérieure, atteignant 1s/semaine et ceci grâce à son balancier plus lourd.

Son facteur Q est donc de 1’000 mais à condition que le mouvement reste toujours horizontal (c’est pour cette raison que les chronomètres de marine sont suspendus sur un cardan qui assure l’horizontalité du mouvement en toutes circonstances, ce qui ne saurait être reproduit dans une montre-bracelet).

L'horloge de Shortt, dont une centaine d'exemplaires ont été produits entre 1922 et 1956, maintient le temps avec deux balanciers, un pendule oscillant principal dans un réservoir à vide – la mère – et un pendule asservi à une horloge séparée – la fille –, qui a été synchronisée avec le maître par un circuit électrique et des électro-aimants. Le pendule asservi est fixé aux mécanismes d'enregistrement des temps de l'horloge, ce qui laisse le pendule maître pratiquement exempt de perturbations extérieures. Exemplaire vendu par la maison de ventes aux enchères spécialisée Gardiner Houlgate, pour la somme de £25,000.
L’horloge de Shortt, dont une centaine d’exemplaires ont été produits entre 1922 et 1956, maintient le temps avec deux balanciers, un pendule oscillant principal dans un réservoir à vide – la mère – et un pendule asservi à une horloge séparée – la fille –, qui a été synchronisée avec le maître par un circuit électrique et des électro-aimants. Le pendule asservi est fixé aux mécanismes d’enregistrement des temps de l’horloge, ce qui laisse le pendule maître pratiquement exempt de perturbations extérieures. Exemplaire vendu par la maison de ventes aux enchères spécialisée Gardiner Houlgate, pour la somme de £25,000.

Autre exemple qui confirme l’importance de Q, les horloges à pendule. Les meilleures d’entre elles, telle que par exemple l’horloge de Shortt, datant de 1921, atteignent une précision identique à celle de la Citizen Calibre 0100 à 8’388’606Hz, soit 1s/an. Et pourtant, sa fréquence, très basse, n’est que de 0,5Hz. Mais son facteur Q est de plus de 100’000.

En résumé, «plus le facteur Q est élevé, plus on peut diminuer les impulsions perturbatrices qui maintiennent l’oscillateur à une même amplitude. Par exemple, les montres mécaniques impulsent le balancier spiral à chaque battement tandis que les chronomètres de marine ne le font qu’une fois sur deux et que les horloges à pendule les plus précises ne le font qu’une fois sur trente!», nous explique Ilan Vardi.

Les clés

Comme le Dr Ilan Vardi l’exprimait déjà en 2014, «le facteur de qualité de l’oscillateur est scientifiquement reconnu comme étant la meilleure indication de précision d’un garde-temps et, pour cette raison, la course à la haute fréquence actuelle devrait être plutôt une course à la haute qualité».

Or, quelles sont les clés pour parvenir à augmenter le facteur de qualité? «Il faut minimiser le frottement entre solides: supprimer les pivots augmente Q par un facteur 10. Il faut ensuite minimiser le frottement interne: passer du métal au silicium augmente Q par un autre facteur de 10. Il faut enfin minimiser le frottement de l’air: mettre l’oscillateur sous vide augmente Q par un facteur de 10, à nouveau», détaille le Dr Vardi.

Le projet IsoSpring

Au sein de l’Instant-Lab, la rencontre entre la théorie mathématique, champ primordial du Dr Ilan Vardi, et les concepts de guidages flexibles étudiés par le Professeur Henein, va donner naissance dès 2011 au projet IsoSpring, qui vise quant à lui à atteindre un facteur Q de 3’000.

Fondamentalement, le programme du projet est «d’éliminer complètement le problème de l’échappement en le supprimant, lui et son tic-tac. Et ce, ‘en se hissant sur les épaules des géants’», comme le dit Ilan Vardi, en citant Isaac Newton.

Car en l’occurrence, c’est en se hissant sur les épaules de ce même Newton qui, parmi les premiers, imagina un système planétaire hypothétique, que l’Instant-Lab a compris dès 2014 que le système Newton permettait de créer une nouvelle base de temps, sans le cliquetis de la mécanique traditionnelle, sans stop-and-go. «On s’attaque à un vieux problème et on reconstruit dessus avec les outils mathématiques et les technologies dont nous disposons aujourd’hui», ajoute Ilan Vardi.

Premier démonstrateur de l'IsoSpring à ressort isotrope présenté publiquement en février 2014
Premier démonstrateur de l’IsoSpring à ressort isotrope présenté publiquement en février 2014

Guidage flexible

Dans l’objectif d’améliorer fondamentalement le facteur Q, le concept est d’utiliser le guidage flexible en lieu et place des pivots traditionnels. En parfaite cohérence avec la théorie, les prototypes successifs qui ont été graduellement mis au point ont effectivement démontré une réduction des frottements, des pertes d’énergie et des perturbations de l’oscillateur, allant de pair avec l’augmentation de la réserve de marche.

Très simplement dit, les lames flexibles de l’IsoSpring font office de pivot virtuel en produisant une force de rappel. C’est donc bien un oscillateur mais qui ne fait plus de mouvements de va-et-vient: il oscille en mouvement continu en traçant des ellipses. Son mouvement bidimensionnel n’est plus alterné mais unidirectionnel. Le couple lui est transmis directement par un mécanisme à manivelle. Il n’y a plus d’échappement.

On supprime ainsi l’essentiel de l’inertie des organes tournants, perturbateurs de l’isochronisme. En silicium monocristallin, ses lames sont aussi des guidages qui soutiennent le mécanisme, ce qui du coup élimine les frottements entre solides. C’est le facteur Q qui se frotte les mains. Plusieurs démonstrateurs ont été conçus et perfectionnés en laboratoire au cours des cinq ans de développements successifs. Reste cependant un problème, leur sensibilité à la gravité.

IsoSpring à sphère
IsoSpring à sphère

Une horloge IsoSpring est installée cérémonieusement à l'Hôtel de Ville de Neuchâtel. Son oscillateur inédit est intégré dans une horloge mécanique complète entraînée par un poids moteur. Le tout est présenté dans un cabinet dont la forme est celle de la traditionnelle pendule neuchâteloise. Tout un symbole. «Car pour inventer, il faut être à la fois révolutionnaire et traditionnel, explique savoureusement Ilan Vardi. L'IsoSpring, c'est ça. C'est un oscillateur totalement novateur mais qui a une longue histoire scientifique et technique derrière lui.»
Une horloge IsoSpring est installée cérémonieusement à l’Hôtel de Ville de Neuchâtel. Son oscillateur inédit est intégré dans une horloge mécanique complète entraînée par un poids moteur. Le tout est présenté dans un cabinet dont la forme est celle de la traditionnelle pendule neuchâteloise. Tout un symbole. «Car pour inventer, il faut être à la fois révolutionnaire et traditionnel, explique savoureusement Ilan Vardi. L’IsoSpring, c’est ça. C’est un oscillateur totalement novateur mais qui a une longue histoire scientifique et technique derrière lui.»

Echapper à la gravité pour passer à la montre-bracelet

Tout l’enjeu désormais est de parvenir à miniaturiser le système à l’échelle d’une montre de poignet. Les premiers oscillateurs IsoSpring étant relativement sensibles à la gravité, il était impossible de les implémenter à l’intérieur d’une montre-bracelet.

Pour parvenir à obtenir un oscillateur insensible à la gravité, les chercheurs de l’Instant- Lab ont mis au point un nouveau mécanisme patenté qu’ils ont nommé oscillateur Wattwins, en référence à leur inspiration historique provenant du «mécanisme de Watt», aussi connu sous le nom de liaison parallèle, un type de liaison mécanique inventée par James Watt en 1784 et dont le point central de la liaison effectue une cinématique proche de la ligne droite.

Ainsi, le mécanisme de l’oscillateur Wattwins consiste en quatre oscillateurs à guidage flexible dont les rotations sont converties en mouvement linéaire selon le principe de Watt. L’oscillateur Wattwins est ainsi insensible aux accélérations linéaires, ce qui est indispensable pour une montre-bracelet, ainsi qu’aux accélérations angulaires – ce qui n’est pas le cas des montres mécaniques classiques.

Oscillateur Wattwins en silicium à l'échelle d'une montre-bracelet
Oscillateur Wattwins en silicium à l’échelle d’une montre-bracelet

Des démonstrateurs ont été mis au point, y compris à l’échelle d’une montre-bracelet, qui démontrent l’insensibilité effective à la gravité de ces oscillateurs IsoSpring. La porte est donc désormais ouverte à la réalisation d’une montre-bracelet mécanique capable de «dépasser le mur de la seconde».

Mais comme le précise Ilan Vardi, «notre laboratoire n’est pas du tout impliqué dans la phase industrielle. Nous laissons cette partie aux manufactures qui ont beaucoup plus de ressources et de savoir-faire dans ce domaine. Nous laissons aussi aux entreprises les détails de mise au point de nos prototypes.»

Serait-ce là la voie royale pour redonner tout son lustre à l’antique montre mécanique? L’avenir et la poursuite des recherches y répondront.

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