Des muscles pour des robots mous inspirés de la nature
Des chercheurs en matériaux améliorent considérablement les performances des actionneurs à base d'hydrogel
Les robots en métal et autres matériaux solides sont déjà largement utilisés dans l'industrie. Mais ils sont trop rigides et encombrants pour les activités de motricité fine et l'interaction avec les personnes, par exemple dans le domaine des soins infirmiers ou de la médecine. C'est pourquoi des recherches intensives sont déjà menées sur les robots en matériaux souples : en s'inspirant de la nature, comme les méduses, les vers de terre, les poissons ou le corps humain, on devrait pouvoir créer des "robots souples" capables de se déplacer avec souplesse et de s'adapter à leur environnement.
Le matériau devient une pince : sous l'effet de la lumière, l'hydrogel libère de l'eau et se contracte. Ce faisant, il enferme un petit objet, qu'il peut également libérer à nouveau
© Margarethe Hauck
Une équipe de chercheurs de l'Institut des sciences des matériaux de l'université de Kiel a mis au point un nouveau système de matériaux basé sur un hydrogel qui fonctionne de la même manière qu'un muscle. Ce matériau souple peut être réduit et agrandi de manière contrôlée en peu de temps. Il pourrait ainsi prendre en charge des tâches de mouvement dans le cadre de la robotique douce, par exemple. L'équipe a récemment publié ses résultats dans la revue Advanced Materials.
Un matériau réactif à la chaleur
Les hydrogels, tels que ceux utilisés dans les lentilles de contact, sont extrêmement élastiques. Ils sont presque entièrement constitués d'eau et leurs propriétés mécaniques sont similaires à celles des tissus du corps humain. Des hydrogels spéciaux, dits réactifs, peuvent se rétracter jusqu'à 90 % en fonction de leur environnement. "Nos hydrogels sont thermosensibles, ce qui signifie qu'ils réagissent à la chaleur. Au-delà d'une température de 32 °C, ils libèrent de l'eau et réduisent ainsi leur volume", explique le Dr Margarethe Hauck, l'un des premiers auteurs de l'étude. Lorsque la température baisse, l'hydrogel absorbe à nouveau l'eau et retrouve son volume initial.
Ce processus peut être répété autant de fois que nécessaire, ce qui donne lieu à une sorte de mouvement. "En fait, ces hydrogels ont le potentiel de fonctionner comme un muscle humain", explique Mme Hauck, qui a fait son doctorat sur le sujet dans le cadre du programme de formation supérieure "Materials for Brain". Ils sont donc intéressants en tant que composants d'actionnement pour le développement de nouveaux types de robots souples. Mais jusqu'à présent, le processus complet de changement de volume prenait encore plusieurs semaines, ce qui était beaucoup trop lent pour la plupart des applications.
Un système de canaux internes transporte l'eau particulièrement rapidement
Des scientifiques du monde entier tentent de modifier plus rapidement le volume de ces hydrogels thermorésistants à l'aide de différentes méthodes. Les chercheurs de Kiel ont intégré un réseau de minuscules tubes dans leur hydrogel. "Cela permet de le réduire et de l'agrandir beaucoup plus rapidement qu'auparavant sans qu'il perde sa stabilité. Au contraire, il peut même exercer jusqu'à 4 000 % de force en plus", explique Lena Saure, doctorante à la chaire de nanomatériaux fonctionnels et également premier auteur.
"Notre approche suit l'exemple de la nature", explique le Dr Fabian Schütt, spécialiste des matériaux, responsable de l'étude et du groupe de recherche junior "Ingénierie des matériaux multi-échelle" à l'Institut des sciences des matériaux de l'université de Kiel. "Les plantes et les animaux disposent de systèmes de canaux en réseau, structurés de manière hiérarchique, pour un transport efficace des substances et des fluides, comme le système capillaire chez l'homme. En utilisant ce principe, nous pouvons également améliorer les propriétés des matériaux souples."
Le revêtement de graphène permet un contrôle électrique
Les nombreux tubes creux interconnectés de quelques micromètres permettent à l'eau de s'écouler librement à l'extérieur et à l'intérieur de l'hydrogel, ce qui permet de modifier rapidement son volume. Une couche extrêmement fine de graphène rend également les tubes conducteurs d'électricité. Les chercheurs peuvent ainsi chauffer l'hydrogel à l'aide d'un courant électrique et contrôler le transport de l'eau en appuyant sur un bouton. "Il s'agit d'un aspect crucial pour l'application pratique de ces actionneurs souples", souligne M. Schütt. Le changement de volume complet ne prend plus que quelques heures au lieu de plusieurs semaines. "Nous travaillons bien sûr à accélérer encore ce processus." Cela est également possible avec un faisceau lumineux dirigé, explique Lena Saure. "L'avantage est que le mouvement peut être contrôlé sans fil, ce qui le rend très flexible.
L'équipe peut adapter l'hydrogel à différentes applications. Par exemple, une structure différente des tubes ou une concentration plus ou moins élevée de graphène modifie les temps de réaction ou les forces exercées. Nicola Pugno, professeur de mécanique des solides et des structures à l'université de Trente, en Italie, et actuellement invité à l'université de Kiel en tant que lauréat d'une bourse de recherche Humboldt, a calculé comment une modification de la structure du matériau affecte les propriétés de l'hydrogel. Des collègues du Centre Helmholtz Hereon et de l'Université technique de Dresde ont également participé à la collaboration.
Des applications médicales sont également possibles
"Pour la première fois, nous pouvons déplacer un hydrogel avec vitesse et force. Avec ses propriétés de réactivité, qui lui permettent de réagir de manière indépendante aux stimuli externes, cela nous rapproche de manière décisive des matériaux intelligents de haute performance pour la robotique molle", déclare le professeur Rainer Adelung, responsable de la chaire et du groupe de formation à la recherche, en soulignant l'importance des résultats. En raison des propriétés de l'hydrogel qui ressemblent à celles d'un tissu, des applications dans le domaine médical en particulier sont envisageables, comme la chirurgie assistée par robot, la construction de tissus artificiels ou encore comme implant pour la libération contrôlée de médicaments dans le corps humain.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Margarethe Hauck, Lena M. Saure, Berit Zeller‐Plumhoff, Sören Kaps, Jörg Hammel, Caprice Mohr, Lena Rieck, Ali Shaygan Nia, Xinliang Feng, Nicola M. Pugno, Rainer Adelung, Fabian Schütt; "Overcoming Water Diffusion Limitations in Hydrogels via Microtubular Graphene Networks for Soft Actuators"; Advanced Materials, 2023-8-17
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