Un nouveau muscle artificiel est plus fort et plus souple que les muscles naturels
Tout cela grâce à des changements dans le processus de fabrication.
Un film réalisé avec 10 couches de PHDE et 20 actionneurs. UCLA
Des chercheurs de l’université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont mis au point un nouveau matériau pour construire des muscles artificiels plus forts et jusqu’à 10 fois plus souples que les muscles naturels, indique un communiqué de presse de l’université.
Les scientifiques ont cherché à reproduire les muscles du corps, qui peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer des robots mous et de nouvelles technologies haptiques avec un sens du toucher. Les spécialistes en sciences des matériaux connaissent de nombreux matériaux souples capables de fournir un rendement mécanique tout en restant viables dans des conditions de forte contrainte.
Une catégorie de matériaux appelée élastomères diélectriques (DE) peut offrir à la fois flexibilité et résistance, et ils sont non seulement légers mais ont également une densité d’énergie élastique élevée. Les DE peuvent être fabriqués à partir de composés naturels ou synthétiques et sont des polymères qui peuvent changer de taille ou de forme lorsqu’un champ électrique est appliqué. Cela en fait des matériaux idéaux pour fabriquer des actionneurs, c’est-à-dire des machines capables de convertir l’énergie électrique en travail mécanique.
Quelles améliorations faut-il alors apporter ?
Actuellement, les DE sont fabriqués à partir d’acrylique ou de silicone et, bien qu’ils soient utiles, ils présentent également certains inconvénients. Les DE en acrylique peuvent supporter des niveaux élevés de tension, mais ils doivent être pré-étirés et manquent de flexibilité. D’autre part, les DE en silicone peuvent être fabriqués facilement mais ne peuvent pas supporter de fortes contraintes.
En collaboration avec l’organisation à but non lucratif SRI International (anciennement connue sous le nom de Stanford Research Institute), l’équipe de l’UCLA a utilisé des produits chimiques disponibles dans le commerce et un processus de durcissement à base de lumière ultraviolette (UV) pour améliorer le DE à base d’acrylique.
Les chercheurs ont pu modifier la réticulation des chaînes polymères du matériau pour rendre le DE plus souple, flexible et plus facile à mettre à l’échelle, sans perdre en endurance ou en résistance. Les modifications apportées au processus de fabrication ont permis aux chercheurs de produire des films minces de DE, qu’ils appellent élastomère diélectrique haute performance transformable ou PHDE.
Comment peut-on utiliser le PHDE ?
Un film de PHDE est aussi fin qu’un cheveu humain et tout aussi léger. La superposition de ces films peut aider les chercheurs à fabriquer des actionneurs miniatures qui peuvent fonctionner comme des tissus musculaires et produire suffisamment d’énergie mécanique pour alimenter un petit robot.
Des matériaux souples ont déjà été superposés par le passé. Toutefois, la méthode employée pour ce faire implique l’utilisation d’une résine liquide qui doit d’abord être déposée, puis durcie. Un tel processus “humide” peut donner lieu à un actionneur dont les couches sont inégales, ce qui entraîne de mauvaises performances. C’est pourquoi les muscles artificiels que vous avez pu voir dans le passé n’ont qu’une seule couche d’épaisseur.
Les chercheurs de l’UCLA ont également travaillé sur cet aspect et ont mis en œuvre un processus sec dans lequel les films PHDE sont déposés en couches à l’aide d’une lame, puis durcis aux UV. Ce procédé simplifié a même permis aux chercheurs de fabriquer des actionneurs ressemblant à des pattes d’araignée qui se plient puis sautent, ou encore s’enroulent puis tournent.
Ces nouveaux actionneurs peuvent générer une force plusieurs fois supérieure à celle des muscles biologiques et sont de 3 à 10 fois plus flexibles que leurs homologues naturels, affirme le communiqué de presse. Lors d’une démonstration, les chercheurs ont montré que l’actionneur pouvait lancer une balle qui pesait 20 fois son poids.
“Cet actionneur flexible, polyvalent et efficace pourrait ouvrir la voie à des 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 de l’homme”, a déclaré Qibing Pei, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’UCLA.
La recherche a été publiée dans la revue Science.
Résumé :
Les élastomères diélectriques (DE) peuvent agir comme des condensateurs déformables qui génèrent un travail mécanique en réponse à un champ électrique. Les DE sont souvent basés sur des élastomères acryliques et siliconés commerciaux. Les acryliques nécessitent un pré-étirage pour obtenir des contraintes d’actionnement élevées et manquent de souplesse de traitement. Les silicones permettent une mise en œuvre et une réponse rapide mais produisent des tensions beaucoup plus faibles. Dans ce travail, un élastomère diélectrique haute performance transformable (PHDE) avec une structure de réseau bimodale est synthétisé, et ses propriétés électromécaniques sont adaptées en ajustant les réticulants et la liaison hydrogène dans le réseau élastomère. Le PHDE présente une déformation surfacique maximale de 190 % et maintient des déformations supérieures à 110 % à 2 hertz sans pré-étirage. Un procédé d’empilement à sec, très efficace, évolutif et rentable, permet de fabriquer des actionneurs multicouches qui conservent les hautes performances d’actionnement des films monocouches.
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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche
