Se mettre au vert dans le domaine de la robotique douce —
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Les muscles artificiels sont une technologie en progrès qui pourrait un jour permettre aux robots de fonctionner comme des organismes vivants. De tels muscles ouvrent de nouvelles possibilités sur la façon dont les robots peuvent façonner le monde qui nous entoure ; des appareils portables d’assistance qui peuvent redéfinir nos capacités physiques à un âge avancé, aux robots de sauvetage qui peuvent parcourir les décombres à la recherche des disparus. Mais ce n’est pas parce que les muscles artificiels peuvent avoir un fort impact sociétal lors de leur utilisation qu’ils doivent laisser un fort impact environnemental après utilisation.
Le thème de la durabilité dans la robotique douce a maintenant été mis au point par une équipe internationale de chercheurs de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents (MPI-IS) à Stuttgart (Allemagne), de l’Université Johannes Kepler (JKU) à Linz (Autriche) , et l’Université du Colorado (CU Boulder), Boulder (États-Unis). Les scientifiques ont collaboré pour concevoir un muscle artificiel haute performance entièrement biodégradable, à base de gélatine, d’huile et de bioplastiques. Ils montrent le potentiel de cette technologie biodégradable en l’utilisant pour animer un préhenseur robotisé, qui pourrait être particulièrement utile dans les déploiements à usage unique comme pour la collecte des déchets. En fin de vie, ces muscles artificiels peuvent être jetés dans les composteurs municipaux ; dans des conditions contrôlées, ils se biodégradent complètement en six mois.
“Nous constatons un besoin urgent de matériaux durables dans le domaine en pleine accélération de la robotique douce. Les pièces biodégradables pourraient offrir une solution durable, en particulier pour les applications à usage unique, telles que les opérations médicales, les missions de recherche et de sauvetage et la manipulation de substances dangereuses. Au lieu de cela de s’accumuler dans les décharges à la fin de la vie du produit, les robots du futur pourraient devenir du compost pour la croissance future des plantes », déclare Ellen Rumley, scientifique invitée de CU Boulder travaillant au département des matériaux robotiques du MPI-IS. Rumley est le co-premier auteur de l’article « Actionneurs électrohydrauliques biodégradables pour des robots souples durables » qui sera publié dans Science Advances le 22 mars 2023.
Plus précisément, l’équipe de chercheurs a construit un muscle artificiel à commande électrique appelé HASEL. Essentiellement, les HASEL sont des sachets en plastique remplis d’huile qui sont partiellement recouverts par une paire de conducteurs électriques appelés électrodes. L’application d’une haute tension sur la paire d’électrodes provoque l’accumulation de charges opposées sur elles, générant une force entre elles qui pousse l’huile vers une région sans électrode de la poche. Cette migration d’huile provoque la contraction de la poche, un peu comme un vrai muscle. La principale exigence pour que les HASEL se déforment est que les matériaux constituant la poche en plastique et l’huile soient des isolants électriques, capables de supporter les contraintes électriques élevées générées par les électrodes chargées.
L’un des défis de ce projet était de développer une électrode conductrice, souple et entièrement biodégradable. Des chercheurs de l’Université Johannes Kepler ont créé une recette basée sur un mélange de gélatine biopolymère et de sels pouvant être coulé directement sur les actionneurs HASEL. “Il était important pour nous de fabriquer des électrodes adaptées à ces applications hautes performances, mais avec des composants facilement disponibles et une stratégie de fabrication accessible. Étant donné que notre formulation présentée peut être facilement intégrée dans divers types de systèmes électriques, elle sert de bloc de construction pour de futures applications biodégradables », déclare David Preninger, co-premier auteur de ce projet et scientifique à la division de physique de la matière molle de JKU.
L’étape suivante consistait à trouver des plastiques biodégradables appropriés. Les ingénieurs pour ce type de matériaux sont principalement concernés par des propriétés telles que le taux de dégradation ou la résistance mécanique, et non par l’isolation électrique ; une exigence pour les HASEL qui fonctionnent à quelques milliers de volts. Néanmoins, certains bioplastiques ont montré une bonne compatibilité matérielle avec les électrodes en gélatine et une isolation électrique suffisante. Les HASEL fabriqués à partir d’une combinaison de matériaux spécifique ont même pu résister à 100 000 cycles d’actionnement à plusieurs milliers de volts sans signe de panne électrique ni de perte de performance. Ces muscles artificiels biodégradables sont électromécaniquement compétitifs avec leurs homologues non biodégradables ; un résultat passionnant pour la promotion de la durabilité dans la technologie des muscles artificiels.
“En montrant les performances exceptionnelles de ce nouveau système de matériaux, nous incitons la communauté robotique à considérer les matériaux biodégradables comme une option matérielle viable pour la construction de robots”, poursuit Ellen Rumley. “Le fait que nous ayons obtenu d’aussi bons résultats avec les bioplastiques motive également, espérons-le, d’autres scientifiques des matériaux à créer de nouveaux matériaux avec des performances électriques optimisées à l’esprit.”
Alors que les technologies vertes deviennent de plus en plus présentes, le projet de recherche de l’équipe est une étape importante vers un changement de paradigme en robotique douce. L’utilisation de matériaux biodégradables pour la construction de muscles artificiels n’est qu’une étape vers l’avenir de la technologie robotique durable.
