Les fibres nanostructurées peuvent imiter les muscles humains
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Imiter le corps humain, en particulier les actionneurs qui contrôlent les mouvements musculaires, suscite un immense intérêt dans le monde entier. Ces dernières années, cela a conduit à de nombreuses innovations pour améliorer la robotique, les membres prothétiques et plus encore, mais la création de ces actionneurs implique généralement des processus complexes, avec des matériaux coûteux et difficiles à trouver.
Des chercheurs de l’Université du Texas à Austin et de la Penn State University ont créé un nouveau type de fibre qui peut fonctionner comme un actionneur musculaire, à bien des égards mieux que les autres options qui existent aujourd’hui. Et, plus important encore, ces fibres musculaires sont simples à fabriquer et à recycler.
Dans un nouvel article publié dans NatureNano, les chercheurs ont montré que ces fibres, qu’ils ont initialement découvertes en travaillant sur un autre projet, sont plus efficaces, flexibles et capables de supporter des contraintes accrues par rapport à ce qui existe aujourd’hui. Ces fibres pourraient être utilisées de diverses manières, notamment en médecine et en robotique.
“Vous pouvez essentiellement construire un membre à partir de ces fibres dans un robot qui répond aux stimuli et renvoie de l’énergie, au lieu d’utiliser un moteur mécanique pour le faire, et c’est bien car il aura alors un toucher plus doux”, a déclaré Manish Kumar, un associé. professeur au département de génie civil, architectural et environnemental de la Cockrell School of Engineering et l’un des principaux auteurs de l’article.
Ce type de bras robotique pourrait être utilisé dans un exosquelette d’assistance pour aider les personnes aux bras faibles à retrouver mouvement et force. Une autre application potentielle, selon les chercheurs, pourrait être une sorte de “pansement à fermeture automatique” qui pourrait être utilisé dans les interventions chirurgicales et se dégrader naturellement à l’intérieur du corps une fois la plaie cicatrisée.
“Les actionneurs sont tout matériau qui changera ou se déformera sous des stimuli externes, comme les parties d’une machine qui se contracteront, se plieront ou se dilateront”, a déclaré Robert Hickey, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux à Penn State et auteur correspondant sur le papier. . “Et pour des technologies comme la robotique, nous devons développer des versions souples et légères de ces matériaux qui peuvent essentiellement agir comme des muscles artificiels. Notre travail consiste vraiment à trouver une nouvelle façon de le faire.”
Le matériau fibreux est connu sous le nom de copolymère séquencé. Pour le créer, il suffit de mettre le polymère dans un solvant puis d’ajouter de l’eau. Une partie du polymère est hydrophile (attirée par l’eau), tandis que l’autre partie est hydrophobe (résistante à l’eau). Les parties hydrophobes du polymère se regroupent pour se protéger de l’eau, créant la structure de la fibre.
Des fibres existantes similaires nécessitent un courant électrique pour stimuler les réactions qui lient les pièces entre elles. Cette réticulation chimique est plus difficile à réaliser que la nouvelle fibre des chercheurs, qui est une réaction mécanique, ce qui signifie que les pièces se chargent elles-mêmes de la majeure partie du travail. Un autre avantage supplémentaire est qu’il est simple d’inverser le processus et de remettre les morceaux de fibre dans leur état d’origine.
“La facilité de fabrication de ces fibres à partir du polymère et leur recyclabilité sont très importantes, et c’est un aspect que la plupart des autres recherches compliquées sur les muscles artificiels ne couvrent pas”, a déclaré Kumar.
Les chercheurs ont découvert que leurs fibres étaient 75 % plus efficaces en termes de conversion d’énergie en mouvement, capables de supporter 80 % de contraintes supplémentaires et pouvaient tourner avec plus de vitesse et de force que les actionneurs actuels. Et il peut s’étirer sur plus de 900 % de sa longueur avant de se casser.
La découverte est survenue alors que les chercheurs travaillaient sur autre chose. Ils essayaient d’utiliser ces polymères pour fabriquer des membranes pour la filtration de l’eau. Cependant, les structures qu’ils fabriquaient étaient trop longues pour les membranes. Ils s’étiraient jusqu’à cinq fois leur longueur d’origine et maintenaient cette longueur. Les chercheurs ont remarqué que ces caractéristiques étaient similaires au tissu musculaire, ils ont donc décidé de changer d’orientation.
Les chercheurs sont au début du projet et prévoient ensuite d’en savoir plus sur les changements structurels du polymère et d’améliorer certaines des propriétés d’actionnement, notamment la densité d’énergie et la vitesse. Ils peuvent également utiliser cette même technique de conception pour créer des actionneurs qui répondent à différents stimuli, tels que la lumière.
Venkat Ganesan, professeur au département de génie chimique de McKetta et Rui Huang, professeur au département de génie aérospatial et de mécanique d’ingénierie, sont les autres ingénieurs texans de l’équipe. Chao Lang, Elisabeth Lloyd, Kelly Matuszewski et Yifan Xu font également partie de l’équipe de Penn State. L’Air Force Office of Scientific Research, la National Science Foundation et Penn State ont financé la recherche.
