De fibres de nylon qui se contractent comme des muscles
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Des chercheurs ont réussi à créer des fibres de nylon qui se comportent comme des muscles artificiels.
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Les muscles artificiels, des matériaux qui se contractent et se dilatent comme les fibres musculaires, possèdent de nombreuses applications allant de la robotique aux composants dans les industries de l’automobile et de l’aviation. Désormais, les chercheurs du MIT ont mis au point un système simple et abordable pour développer ces muscles dans lesquels un matériau reproduit certains mouvements de flexion typique des tissus musculaires. Et le principal ingrédient qu’ils ont utilisé, qui est bon marché et omniprésent, est de la simple fibre de nylon. Oui, celle que vous utilisez pour étendre votre linge.
La nouvelle approche pour exploiter ce matériau en fibres synthétiques réside dans la fabrication et le chauffage des fibres d’une manière particulière qui est décrite dans la revue Advanced Materials par Seyed Mirvakili, un candidat au doctorat et Ian Hunter, professeur au Département de génie mécanique de George N. Hatsopoulos.1
Auparavant, les chercheurs avaient utilisé le principe des bobines torsadées du filament de nylon pour imiter l’activité musculaire linéaire de base. Ils ont montré que pour une taille et un poids donnés, de tels appareils pourraient s’étendre et se rétracter davantage tout en stockant et en libérant plus d’énergie que les muscles naturels. Mais les mouvements de flexion, tels que ceux des doigts et des membres humains, étaient plus difficiles et on ne pouvait pas le faire avec un système simple et abordable.
Il existe certains matériaux qui peuvent être utilisés pour produire ces types de mouvements de flexion qu’on pourrait utiliser pour certains appareils biomédicaux ou des écrans tactiles. Toutefois, ces derniers ont tendance à utiliser des matériaux exotiques et ils sont très coûteux selon Mirvakili. Par exemple, les fils de nanotubes de carbone peuvent fournir une grande longévité (plus d’un million de cycles de contraction linéaires), mais ils sont encore trop chers pour une utilisation généralisée et les alliages à mémoire de forme fournissent une grande force de traction, mais ils souffrent d’une durée de cycle médiocre (moins de 1 000 cycles).
Simple et bon marché
En revanche, ce nouveau système à base de nylon utilise un matériau bon marché et un processus de fabrication simple et il démontre une très bonne longévité dans les cycles. Tout se résume à la manière de fabriquer les fibres de nylon.
Certains matériaux en fibres polymères incluant le nylon possèdent une propriété inhabituelle. Quand on les chauffe, ils rétrécissent en longueur, mais leur épaisseur se dilate selon Mirvakili et cette propriété a été exploitée pour créer des appareils à action linéaire. Mais pour transformer ce mouvement de rétrécissement linéaire en flexion, il faut des mécanismes tels qu’une poulie et une bobine et cela augmente le nombre de matériaux et de processus. La découverte du MIT consiste à exploiter directement le mouvement sans nécessiter de pièces mécaniques supplémentaires.
Une des limitations des appareils à action linéaire est qu’après avoir été chauffés pour déclencher la contraction, ils mettent du temps à refroidir. Le taux de refroidissement peut être un facteur limitant selon Mirvakili. Mais je me suis rendu compte qu’il pouvait devenir un avantage. Le chauffage sélectif d’un côté de la fibre fait que ce côté commence à se contracter plus rapidement que la pénétration de la chaleur par l’autre côté, et donc ce processus peut produire un mouvement de flexion dans la fibre. Vous avez besoin d’une combinaison de ces propriétés selon Mirvakili avec une contrainte élevée et une faible conductivité thermique.
Pour que ce système fonctionne efficacement comme un muscle artificiel, la section transversale de la fibre doit subir une fabrication soignée. En premier lieu, l’équipe a utilisé une ligne de pêche en nylon ordinaire qui a été compressé pour changer sa section transversale d’une forme circulaire pour devenir une forme rectangulaire ou carrée. Ensuite, le chauffage sélectif d’un côté a fait que la fibre s’est pliée dans cette direction. Le changement de la direction du chauffage pourrait également produire des mouvements plus complexes. Dans leurs tests de laboratoire, l’équipe a utilisé cette technique de chauffage pour obtenir les fibres qui se déformaient en cercle et en forme de huit.
On peut utiliser diverses sources de chaleur sur les fibres incluant le chauffage par résistance électrique, les réactions chimiques ou un faisceau laser. Pour certains de leurs tests, les chercheurs ont utilisé une peinture conductrice spéciale appliquée aux fibres et qui a été maintenue en place par un liant de résine. Quand une tension est appliquée à la matière, elle chauffe la partie de la fibre directement au-dessous de la peinture pour que la fibre se courbe selon la manière désirée.
Un matériau avec une longue durée de vie
Les chercheurs ont démontré que le matériau peut maintenir sa performance pendant au moins 100 000 cycles de flexion et il peut se plier et se rétracter à une vitesse d’environ 17 cycles par seconde. Hunter suggère que les applications pour de telles fibres pourraient inclure des vêtements qui se contractent pour s’adapter parfaitement aux contours d’un corps en réduisant drastiquement le nombre de tailles différentes qu’un fabricant devrait produire tout en améliorant le confort. Ou encore les fibres pourraient être utilisées dans des chaussures qui s’adapteraient à la forme de chaque foulée.
Le système permet également des cathéters auto-ajustables ou d’autres appareils biomédicaux. Et sur le long terme, on pourrait créer des systèmes mécaniques tels que des panneaux extérieurs d’un véhicule qui ajustent leur forme aérodynamique pour s’adapter aux changements de vitesse et de vent ou des systèmes de suivi automatique des panneaux solaires qui utiliseraient la chaleur supplémentaire générée par les panneaux pour les orienter automatiquement vers le soleil.
