Un actionneur à fibre unique inspiré des muscles humains

Pour reproduire efficacement les mouvements des humains et des animaux, les robots doivent intégrer des structures de type musculaire. Ces muscles artificiels doivent atteindre une performance optimale pour tous les paramètres d’actionnement pertinents, y compris la densité d’énergie, la tension, le stress et la résistance mécanique.

Des chercheurs du KAIST et de l’Université nationale de Pusan ​​en Corée du Sud ont récemment développé un actionneur pour des applications robotiques qui s’inspire des structures squelettiques et musculaires des mammifères. Cet actionneur, présenté dans un article publié dans Nanotechnologie de la natureest basé sur des fibres souples avec de fortes propriétés d’actionnement par contraction.

« J’ai découvert les actionneurs en élastomère à cristaux liquides (LCE) lors d’une réunion universitaire avec le professeur Suk Kyun Ahn, l’un des co-auteurs de l’article », a déclaré Sang Ouk Kim, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. Phys.org. « Les LCE sont des matériaux d’actionneur souples prometteurs avec un changement dimensionnel réversible inhabituellement important (rétrécissement/relaxation) lors de l’actionnement, ce qui est rarement observé dans d’autres types de matériaux d’actionneur mais très significatif pour imiter idéalement le comportement naturel des muscles squelettiques. »

De nombreux actionneurs développés dans le passé sont basés sur des matériaux LCE, une classe de polymères qui peuvent rapidement changer de forme en réponse à des stimuli environnementaux. Malgré leurs avantages de morphing de forme, les polymères LCE sont connus pour être associés à des propriétés mécaniques relativement médiocres et à un comportement d’actionnement faible.

Pour surmonter cette limitation, Kim et le professeur Ahn ont décidé d’incorporer des charges de graphène ultra-résistantes dans les actionneurs LCE. En plus d’améliorer leurs propriétés mécaniques, l’équipe s’attendait à ce que les charges de graphène permettent un actionnement piloté par la lumière, rapide et contrôlable à distance, grâce à la capacité de conversion photothermique du graphène.

« Les actionneurs LCE purs nécessitent généralement une élévation de température, qui est généralement un processus long sans contrôlabilité spatiale spécifique, pour déclencher un actionnement entraîné par l’état aligné des cristaux liquides vers l’état enroulé aléatoire isotrope des molécules LCE », a expliqué Kim.

Les actionneurs développés par les chercheurs sont basés sur des fibres douces et comprennent des charges de graphène finement exfoliées dans la matrice du matériau LCE. Lorsqu’une lumière laser est appliquée sur la fibre, l’effet de conversion photothermique associé à la charge de graphène augmente instantanément la température de sa matrice LCE environnante. Il en résulte que les molécules de LCE passent d’un état aligné de cristaux liquides à un état enroulé aléatoire dit isotrope, provoquant finalement un rétrécissement des fibres à une échelle macroscopique.

« Une fois l’éclairage laser supprimé, la fibre restaure la longueur d’origine tandis que la matrice LCE est instantanément refroidie », a déclaré Kim. « L’incorporation synergique d’une partie mineure (~ 0,3% en poids) de charges de graphène fortes renforce le matériau de l’actionneur lui-même ainsi que ses performances d’actionnement. La conversion photothermique rapide activée par les charges de graphène atteint également un actionnement réversible et rapide à haute puissance, qui peut être facilement contrôlable à distance par la manipulation de la lumière externe. »

L’une des caractéristiques les plus précieuses de l’actionneur créé par Kim et ses collègues est la percolation réversible du réseau de charge de graphène à l’intérieur. Ce processus permet aux fibres d’être rétrécies et relâchées de manière réversible dans leur taille d’origine, tout en garantissant une résistance mécanique élevée sur l’ensemble du cycle d’actionnement.

« Le grand rétrécissement/relaxation réversible de l’actionnement de la fibre longitudinale induit un assemblage et un démontage réversibles du réseau de remplissage de graphène dans le volume de l’actionneur composite », a déclaré Kim.

« Ce comportement sans précédent renforce considérablement l’actionneur, en particulier dans l’état actionné rétréci et entraîne la modulation intrigante de la conductivité électrique en fonction de l’état d’actionnement, qui est similaire à la génération de signal EMG des muscles naturels. Remarquablement, la faiblesse mécanique inhérente de l’actionneur LCE en particulier dans l’état rétréci actionné a été le défi critique de longue date pour l’utilisation pratique des actionneurs LCE. »

Les chercheurs ont évalué leur actionneur dans une série de tests et ont constaté qu’ils avaient obtenu des résultats très prometteurs. En fait, ils présentaient à la fois les propriétés de morphing de forme avantageuses des actionneurs à base de matériaux LCE, tout en permettant une contrainte d’actionnement robuste et réversible.

« Notre actionneur atteint finalement une performance d’actionnement pratiquement significative, qui surpasse celle des muscles naturels des animaux à bien des égards, y compris la tension d’actionnement, le stress, la densité d’énergie et la puissance », a déclaré Kim. « Les muscles artificiels présentés dans les travaux précédents ont parfois atteint des performances supérieures dans une ou quelques-unes de ces caractéristiques, mais il n’y a pas encore eu de rapport pour ce type de performances supérieures globales par rapport au muscle naturel. »

Kim et ses collègues ont enfin démontré le potentiel de leurs actionneurs en les mettant en œuvre sur des robots mous et en évaluant leurs performances sur une série de tâches. Ils ont découvert que les robots étaient capables d’imiter différents mouvements humains et animaux, par exemple en soulevant un haltère de 1 kg, en pliant les doigts individuels sur une main artificielle et en reproduisant le mouvement des chenilles.

Fait intéressant, l’équipe a testé une chenille robotique basée sur son actionneur en la faisant « course » avec une chenille vivante. Leur système a remporté la course, soulignant davantage le potentiel de leur actionneur à base de fibre unique pour créer des robots super puissants et très performants, des outils prothétiques bioniques et peut-être même des vêtements intelligents reconfigurables.

« Le prochain grand défi sera d’intégrer notre muscle artificiel à l’activité neuronale », a ajouté Kim. « Si la fibre d’actionneur individuelle est spécifiquement contrôlable imitant le contrôle neutre, des mouvements et une locomotion naturels, comme des animaux sophistiqués, devraient être possibles tout en étant interfacés avec le cerveau humain ou l’IA. Actuellement, la plupart des actionneurs reposent sur des systèmes mécaniques durs. Notre actionneur souple composite serait un candidat prometteur pour l’adresse les limites inhérentes du système d’actionnement mécanique traditionnel, telles que le poids lourd et la rigidité mécanique, et pour atteindre un animal vraiment naturel comme la robotique douce.

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