Les scientifiques des matériaux de l’UCLA et leurs collègues de l’institut de recherche scientifique à but non lucratif SRI International ont développé un nouveau matériau et un nouveau procédé de fabrication pour créer des muscles artificiels plus solides et plus flexibles que leurs homologues biologiques.
« Créer un muscle artificiel pour permettre le travail et détecter la force et le toucher a été l’un des grands défis de la science et de l’ingénierie », a déclaré Qibing Pei, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’UCLA Samueli School of Engineering et auteur correspondant d’un étude récemment publiée dans La science.
Pour qu’un matériau souple puisse être utilisé comme muscle artificiel, il doit être capable de produire de l’énergie mécanique et de rester viable dans des conditions de forte contrainte, ce qui signifie qu’il ne perd pas facilement sa forme et sa résistance après des cycles de travail répétés. Alors que de nombreux matériaux ont été considérés comme des candidats pour la fabrication de muscles artificiels, les élastomères diélectriques (DE) – des matériaux légers à haute densité d’énergie élastique – ont suscité un intérêt particulier en raison de leur flexibilité et de leur ténacité optimales.
Vidéo montrant des films PHDE et des actionneurs en cours de tests. Crédit : Laboratoire de recherche sur les matériaux souples/UCLA
Les élastomères diélectriques sont des polymères électroactifs, qui sont des substances naturelles ou synthétiques composées de grosses molécules qui peuvent changer de taille ou de forme lorsqu’elles sont stimulées par un champ électrique. Ils peuvent être utilisés comme actionneurs, permettant aux machines de fonctionner en transformant l’énergie électrique en travail mécanique.
La plupart des élastomères diélectriques sont en acrylique ou en silicone, mais les deux matériaux présentent des inconvénients. Alors que les DE en acrylique traditionnels peuvent atteindre une contrainte d’actionnement élevée, ils nécessitent un pré-étirement et manquent de flexibilité. Les silicones sont plus faciles à fabriquer, mais ils ne peuvent pas résister à de fortes contraintes.
En utilisant des produits chimiques disponibles dans le commerce et en employant un processus de durcissement à la lumière ultraviolette (UV), l’équipe de recherche dirigée par l’UCLA a créé un matériau amélioré à base d’acrylique qui est plus souple, réglable et plus simple à mettre à l’échelle sans perdre sa résistance et son endurance. Alors que l’acide acrylique permet la formation de plus de liaisons hydrogène, rendant ainsi le matériau plus mobile, les chercheurs ont également ajusté la réticulation entre les chaînes polymères, permettant aux élastomères d’être plus souples et plus flexibles. Le film élastomère diélectrique fin, transformable et haute performance résultant, ou PHDE, est ensuite pris en sandwich entre deux électrodes pour convertir l’énergie électrique en mouvement en tant qu’actionneur.
Chaque film PHDE est aussi fin et léger qu’un cheveu humain, d’environ 35 micromètres d’épaisseur, et lorsque plusieurs couches sont empilées, elles deviennent un moteur électrique miniature qui peut agir comme un tissu musculaire et produire suffisamment d’énergie pour alimenter le mouvement des petits robots ou capteurs. Les chercheurs ont réalisé des empilements de films PHDE variant de quatre à 50 couches.
« Cet actionneur flexible, polyvalent et efficace pourrait ouvrir les portes aux muscles artificiels dans les nouvelles générations de robots, ou dans les capteurs et les technologies portables qui peuvent imiter plus précisément ou même améliorer les mouvements et les capacités humaines », a déclaré Pei.
Les muscles artificiels équipés d’actionneurs PHDE peuvent générer plus de mégapascals de force que les muscles biologiques et ils font également preuve de trois à 10 fois plus de flexibilité que les muscles naturels.
Les films souples multicouches sont généralement fabriqués via un procédé « humide » qui implique le dépôt et le durcissement d’une résine liquide. Mais ce processus peut entraîner des couches inégales, ce qui rend un actionneur peu performant. Pour cette raison, jusqu’à présent, de nombreux actionneurs n’ont réussi qu’avec des films DE monocouche.
La recherche de l’UCLA implique un processus « sec » par lequel les films sont superposés à l’aide d’une lame, puis durcis aux UV pour durcir, rendant les couches uniformes. Cela augmente la production d’énergie de l’actionneur afin que l’appareil puisse supporter des mouvements plus complexes.
Le processus simplifié, associé à la nature flexible et durable du PHDE, permet la fabrication de nouveaux actionneurs souples capables de se plier pour sauter, comme des pattes d’araignée, ou de s’enrouler et de tourner. Les chercheurs ont également démontré la capacité de l’actionneur PHDE à lancer une balle de la taille d’un pois 20 fois plus lourde que les films PHDE. L’actionneur peut également se dilater et se contracter comme un diaphragme lorsqu’une tension est activée et désactivée, donnant un aperçu de la façon dont les muscles artificiels pourraient être utilisés à l’avenir.
Cette avancée pourrait conduire à des robots mous avec une mobilité et une endurance améliorées, et de nouvelles technologies portables et haptiques avec un sens du toucher. Le processus de fabrication pourrait également être appliqué à d’autres matériaux à couches minces souples pour des applications telles que les technologies microfluidiques, l’ingénierie tissulaire ou la microfabrication.
Ye Shi et al, Un processus d’élastomère diélectrique et multicouche transformable et haute performance, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abn0099. www.science.org/doi/10.1126/science.abn0099