Des actionneurs en microfibres rapides imitent avec succès les muscles humains
En robotique, en prothèses et dans d'autres applications d'ingénierie, on utilise généralement des actionneurs qui imitent la contraction des muscles animaux. Pourtant, la vitesse et l'efficacité des fibres musculaires naturelles restent le critère requis. Malgré les nouvelles avancées dans les technologies d'actionnement, les muscles artificiels étaient autrefois soit trop volumineux, soit trop lents, soit trop faibles.
Une équipe d'ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego (UCSD) a décrit une nouvelle microfibre artificielle en élastomère à cristaux liquides (LCE), qui reproduit la résistance à la rupture, la réaction rapide et la densité de puissance élevée des muscles humains.
« Les fibres capables de provoquer une compression axiale sont courantes dans la nature et dans les applications d'ingénierie. Malgré la large utilisation des actionneurs à fibres, il reste très difficile de fabriquer des actionneurs à fibres optiques combinant une déformation d'actionnement élevée, une vitesse de réponse rapide et une puissance spécifique élevée », indique l'article des chercheurs.
« Le polymère (LCE) est un matériau souple et très extensible. Lorsque nous appliquons des stimuli externes, tels que la lumière ou la chaleur, ce matériau se contracte dans une direction »
Bien que les actionneurs souples à base de LCE soient courants et puissent générer une charge d'actionnement excellente — de 50 à 80 % — leur temps de réponse est généralement très lent. La façon la plus simple de rendre les fibres à la fois réactives et rapides consiste à réduire leur diamètre. Pour cela, les chercheurs de l'UCSD ont utilisé une méthode appelée électrofilage, qui consiste à extruder une solution de polymère à travers une seringue ou une filière sous haute tension afin d'obtenir des fibres ultrafines.
L'électrofilage est utilisé pour fabriquer des matériaux à petite échelle afin de produire des microfibres d'un diamètre compris entre 10 et 100 micromètres. Il est connu pour sa capacité à créer des fibres de structures morphologiques variées et est généralement utilisé dans divers contextes de recherche et commerciaux.
Les microfibres fabriquées par les chercheurs de l'UCSD ont une taille de 40 à 50 micromètres, soit à peu près la largeur d'un cheveu humain. Elles sont beaucoup plus petites que les fibres LCE existantes, dont certaines peuvent dépasser 0,3 mm d'épaisseur. Les chercheurs ne sont pas les premiers à utiliser cette technique pour fabriquer des fibres LCE, mais ce sont les premiers à faire progresser cette fibre. Les scientifiques montrent comment contrôler l'actionnement des fibres et mesurer les caractéristiques de cet actionnement.
Pour démontrer le concept, l'équipe a conçu trois dispositifs microrobotiques distincts à l'aide de ses fibres LCE électrofilées : une micropince, un microrobot et une pompe microfluidique alimentée par une source lumineuse. Leurs actionneurs peuvent être commandés thermoélectriquement ou à l'aide d'un laser proche infrarouge.
Lorsque le matériau LCE est à température ambiante, il se trouve dans la phase nématique — dans cet état, les cristaux liquides sont disposés de manière aléatoire, tous leurs grands axes étant orientés essentiellement dans une même direction. Lorsque la température augmente, le matériau passe dans la phase dite isotrope, dans laquelle ses propriétés sont identiques dans toutes les directions, ce qui entraîne le raccourcissement de la fibre.
Les résultats montrent que la déformation à l'actionnement atteint 60 %, ce qui signifie qu'une fibre de 10 cm se raccourcit à 4 cm avec un temps de réponse inférieur à 0,2 s et une puissance spécifique de 400 W par kg. Cela est comparable aux fibres musculaires humaines.
Les chercheurs soulignent qu'un actionneur souple à commande électrique permet de l'intégrer facilement à des dispositifs électroniques peu coûteux, ce qui est un atout pour les systèmes et dispositifs microrobotiques. L'électrofilage est également une méthode de fabrication très efficace. Selon les scientifiques, 10 000 fibres peuvent être produites en 15 minutes. Cependant, un certain nombre de problèmes restent à résoudre.
« La seule limite de ce travail est que, lorsque nous soumettons la microfibre LCE à la chaleur ou à la lumière, l'efficacité énergétique est très faible — moins de 1 %. Ainsi, dans les travaux futurs, nous pourrions réfléchir à la manière d'activer l'actionnement de façon plus économe en énergie »
Une autre limite est que la transition de phase nématique-isotrope dans le matériau LCE obtenu par électrofilage se produit à une température très élevée — plus de 90 degrés Celsius. Il est donc impossible d'introduire directement la fibre dans le corps humain, dont la température est de 35 degrés Celsius. Une solution à ce problème pourrait consister à utiliser un autre type de cristal liquide.
Dans leurs travaux, les scientifiques ont utilisé le RM 257 comme cristal liquide, mais ils pourraient le remplacer par un autre type afin d'abaisser la température de transition de phase. Les chercheurs envisagent avec optimisme d'étendre les recherches sur les actionneurs en microfibres LCE électrofilées.
« Nous avons également démontré que nous pouvons disposer plusieurs fibres LCE en parallèle et les activer simultanément pour augmenter la force de sortie. C'est un travail futur dans lequel nous tenterons de déterminer s'il est possible d'assembler leurs faisceaux de fibres musculaires en tissu biomédical »
