Les « muscles » artificiels atteignent une force de traction puissante
Lorsqu’une plante de concombre pousse, elle pousse des vrilles étroitement enroulées qui cherchent des supports afin de tirer la plante vers le haut. Cela garantit que la plante reçoit autant d’exposition au soleil que possible. Maintenant, les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen d’imiter ce mécanisme d’enroulement et de traction pour produire des fibres contractantes qui pourraient être utilisées comme muscles artificiels pour des robots, des membres prothétiques ou d’autres applications mécaniques et biomédicales.
Bien que de nombreuses approches différentes aient été utilisées pour créer des muscles artificiels, y compris des systèmes hydrauliques, des servomoteurs, des métaux à mémoire de forme et des polymères qui répondent aux stimuli, elles ont toutes des limites, notamment un poids élevé ou des temps de réponse lents. Le nouveau système à base de fibres, en revanche, est extrêmement léger et peut répondre très rapidement, disent les chercheurs. Les résultats sont rapportés aujourd’hui dans la revue Science.
Les nouvelles fibres ont été développées par le post-doctorant du MIT Mehmet Kanik et l’étudiant diplômé du MIT SirmagGüç, en collaboration avec les professeurs Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan et C. Cem Taşan, et cinq autres, en utilisant une technique de fibrage pour combiner deux polymères différents en un seul brin de fibre.
La clé du processus consiste à assembler deux matériaux qui ont des coefficients de dilatation thermique très différents — ce qui signifie qu’ils ont des taux de dilatation différents lorsqu’ils sont chauffés. C’est le même principe utilisé dans de nombreux thermostats, par exemple en utilisant une bande bimétallique comme moyen de mesure de la température. Lorsque le matériau joint se réchauffe, le côté qui veut se dilater plus rapidement est retenu par l’autre matériau. En conséquence, le matériau collé se recroqueville, se pliant vers le côté qui se dilate plus lentement.
Crédit: Grâce aux chercheurs
Utilisant deux polymères différents liés ensemble, un élastomère copolymère cyclique très extensible et un polyéthylène thermoplastique beaucoup plus rigide, Kanik, ÖrGüç et ses collègues ont produit une fibre qui, lorsqu’elle est étirée à plusieurs fois sa longueur d’origine, se forme naturellement en une bobine serrée, très similaire aux vrilles produites par les concombres. Mais ce qui s’est passé ensuite a été une surprise lorsque les chercheurs l’ont expérimenté pour la première fois. « Il y avait beaucoup de sérendipité là-dedans », se souvient Anikeeva.
Dès que Kanik a ramassé la fibre enroulée pour la première fois, la chaleur de sa main seule a fait que la fibre s’enroulait plus étroitement. À la suite de cette observation, il a constaté que même une légère augmentation de la température pouvait faire resserrer la bobine, produisant une force de traction étonnamment forte. Puis, dès que la température est redescendue, la fibre est revenue à sa longueur d’origine. Lors de tests ultérieurs, l’équipe a montré que ce processus de sous-traitance et d’expansion pouvait être répété 10 000 fois « et cela allait toujours fort », explique Anikeeva.
Crédit: Gracieuseté des chercheurs
L’une des raisons de cette longévité, dit-elle, est que « tout fonctionne dans des conditions très modérées », y compris des températures d’activation basses. Une simple augmentation de 1 degré Celsius peut suffire à déclencher la contraction de la fibre.
Les fibres peuvent s’étendre sur une large gamme de tailles, de quelques micromètres (millionièmes de mètre) à quelques millimètres (millièmes de mètre) de largeur, et peuvent facilement être fabriquées par lots jusqu’à des centaines de mètres de long. Des tests ont montré qu’une seule fibre est capable de soulever des charges allant jusqu’à 650 fois son propre poids. Pour ces expériences sur des fibres individuelles, ÖrGüç et Kanik ont développé des configurations de test dédiées et miniaturisées.
Crédit: Gracieuseté des chercheurs
Le degré de serrage qui se produit lorsque la fibre est chauffée peut être « programmé » en déterminant la quantité d’étirement initial à donner à la fibre. Cela permet au matériau d’être réglé exactement à la quantité de force nécessaire et à la quantité de changement de température nécessaire pour déclencher cette force.
Les fibres sont réalisées à l’aide d’un système de fibrage, ce qui permet d’incorporer d’autres composants dans la fibre elle-même. Le fibrage se fait en créant une version surdimensionnée du matériau, appelée préforme, qui est ensuite chauffée à une température spécifique à laquelle le matériau devient visqueux. Il peut ensuite être tiré, un peu comme tirer de la tire, pour créer une fibre qui conserve sa structure interne mais qui représente une petite fraction de la largeur de la préforme.
À des fins de test, les chercheurs ont enduit les fibres de mailles de nanofils conducteurs. Ces mailles peuvent être utilisées comme capteurs pour révéler la tension exacte subie ou exercée par la fibre. À l’avenir, ces fibres pourraient également comporter des éléments chauffants tels que des fibres optiques ou des électrodes, permettant de les chauffer intérieurement sans avoir à recourir à une source de chaleur extérieure pour activer la contraction du » muscle « . »
De telles fibres pourraient être utilisées comme actionneurs dans des bras, des jambes ou des pinces robotiques et dans des membres prothétiques, où leur poids léger et leurs temps de réponse rapides pourraient fournir un avantage significatif.
Certains membres prothétiques peuvent aujourd’hui peser jusqu’à 30 livres, une grande partie du poids provenant d’actionneurs, qui sont souvent pneumatiques ou hydrauliques; des actionneurs plus légers pourraient ainsi faciliter la vie de ceux qui utilisent des prothèses. De telles fibres pourraient également trouver des utilisations dans de minuscules dispositifs biomédicaux, tels qu’un robot médical qui fonctionne en pénétrant dans une artère puis en étant activé « , suggère Anikeeva. « Nous avons des temps d’activation de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes à quelques secondes », selon les dimensions, dit-elle.
Pour fournir une plus grande résistance pour soulever des charges plus lourdes, les fibres peuvent être groupées ensemble, tout comme les fibres musculaires sont groupées dans le corps. L’équipe a testé avec succès des faisceaux de 100 fibres. Grâce au processus de fibrage, des capteurs pourraient également être incorporés dans les fibres pour fournir une rétroaction sur les conditions qu’elles rencontrent, comme dans un membre prothétique. ÖrGüç dit que les fibres musculaires groupées avec un mécanisme de rétroaction en boucle fermée pourraient trouver des applications dans les systèmes robotiques où un contrôle automatisé et précis est requis.
Kanik dit que les possibilités de matériaux de ce type sont pratiquement illimitées, car presque n’importe quelle combinaison de deux matériaux avec des taux de dilatation thermique différents pourrait fonctionner, laissant un vaste domaine de combinaisons possibles à explorer. Il ajoute que cette nouvelle découverte était comme ouvrir une nouvelle fenêtre, seulement pour voir « un tas d’autres fenêtres » en attente d’ouverture.
» La force de cette œuvre vient de sa simplicité « , dit-il.
L’équipe comprenait également Georgios Varnavides, étudiant diplômé du MIT, Jinwoo Kim, postdoc, et Thomas Benavides, Dani Gonzalez et Timothy Akintlio, étudiants de premier cycle. Le travail a été soutenu par l’Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux et la National Science Foundation.