Des chercheurs autrichiens ont créé un actionneur souple à partir de matériaux biodégradables

Des chercheurs autrichiens ont mis au point un procédé d'impression 3D par extrusion utilisant une encre biodégradable pour modéliser des objets complexes aux dimensions stables. Les bioencres sont composées d'un hydrogel à base de gélatine, qui s'étire jusqu'à six fois sa longueur initiale.

Cela ouvre de nouvelles applications pour la robotique souple et ouvre la voie à une production sans déchets. Les ingénieurs en robotique souple s'inspirent de la nature pour concevoir des dispositifs robotisés qui interagissent avec les humains et d'autres organismes vivants. Pourtant, le processus de fabrication de ces appareils entraîne souvent des déchets non recyclables.

De plus, les méthodes de production traditionnelles, comme le moulage, ne répondent pas aux exigences des applications complexes de la robotique souple. Ainsi, les progrès dans ce domaine nécessitent de nouvelles méthodes de production ainsi qu'une durabilité environnementale accrue.

Avantages et défis de la robotique souple

Les robots souples se distinguent des robots rigides utilisés dans les environnements industriels. En s'inspirant de la nature, les robots souples, fabriqués à partir de matériaux souples et adaptatifs, aident les humains à résoudre des tâches complexes dans l'industrie, la santé et la société.

Cependant, les dispositifs de robotique souple qui utilisent des capteurs et des actionneurs ont un fort impact sur l'environnement. Dans ce contexte, des actionneurs de robotique souple fabriqués à partir de matériaux biodégradables sont souhaitables.

Des tentatives ont été faites pour produire des composants robotisés souples biodégradables à partir d'hydrogels, de polyesters et de protéines. Cependant, les méthodes traditionnelles de moulage limitent le degré de liberté accessible aux robots souples modernes.

Pour les dispositifs robotisés complexes intégrant des capteurs flexibles, de nouvelles approches de production, comme l'impression 3D par extrusion, sont donc nécessaires.

Impression de robots biodégradables

L'équipe de l'Université Johannes Kepler de Linz, en Autriche, a développé une méthode d'impression 3D pour produire des actionneurs de robots souples dotés de réseaux de capteurs intégrés. Leur méthode repose sur la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM), dans laquelle un filament continu de biogel est injecté à travers une tête d'extrusion chauffée pour former l'objet souhaité. La taille minimale réalisable d'un élément est de 0,6 mm.

Les matériaux mous et élastiques sont indispensables à la conception d'actionneurs souples pour la robotique. Des biopolymères comme la cellulose, l'alginate et la gélatine ont été utilisés pour produire des matériaux biodégradables à usage technique. Pour son étude, l'équipe autrichienne a développé un hydrogel (biogel) à base de gélatine présentant une grande élasticité (déformation maximale de 500 %).

La gélatine est une forme hydrolysée du collagène, couramment utilisée dans l'alimentation. C'est un polymère sans goût et incolore, obtenu à partir de parties du corps d'animaux. Grâce à sa polyvalence, il est utilisé dans un large éventail d'applications techniques, notamment l'ingénierie tissulaire et la fibre optique.

Les propriétés du matériau obtenues par l'équipe autrichienne résultent de l'ajout de glycérine et de sirop de sucre à la gélatine. De plus, l'acide citrique régule la croissance bactérienne. Cette composition idéale permet une dégradation enzymatique du matériau dans les eaux usées en quelques jours seulement, ainsi qu'une durée de conservation de plus d'un an dans des conditions ambiantes.

Le biogel peut être utilisé pour fabriquer des actionneurs pneumatiques souples capables de se plier jusqu'à 74 degrés dans n'importe quelle direction. De plus, le biogel peut être réutilisé pour l'impression jusqu'à cinq fois.

L'équipe a étudié les effets du chauffage, du stockage et de la réutilisation des biogels. Ils ont observé une diminution de la déformation maximale du matériau à 470 % après 24 heures, soit une baisse de 140 % par rapport aux biogels fabriqués par moulage.

Leur biogel conserve une déformation maximale supérieure à 430 % après 12 jours de stockage dans des conditions ambiantes, ce qui dépasse largement les 200 % requis pour les applications en robotique souple.

Les chercheurs autrichiens ont également imprimé des guides d'ondes à l'aide du biogel, capables de détecter les déformations grâce à la perte de lumière transmise. Ils pouvaient ajuster l'indice de réfraction de leurs guides d'ondes en modifiant la teneur en eau du biogel.

Enfin, les scientifiques ont imprimé un actionneur à trois chambres (60 mm de hauteur et 16,6 mm de diamètre). Trois régulateurs de pression électropneumatiques, une source de pression unique et une disposition parallèle des cavités gonflables assuraient un mouvement omnidirectionnel.

En reconstruisant une carte bidimensionnelle des états d'actionnement et des valeurs de pression correspondantes, ils ont pu piloter le robot à l'aide d'une manette de jeu standard. L'équipe a démontré les capacités du robot en programmant une procédure de recherche et de nettoyage, lui permettant de détecter et d'éliminer des obstacles.

En associant des guides d'ondes extensibles à des actionneurs souples, les chercheurs autrichiens ont pu contrôler avec précision la courbure, la direction et la mesure de la force, tout en réduisant les coûts de production et la quantité de déchets.

Les chercheurs pensent que leur technologie permettra un jour de créer de minuscules robots souples capables de nager à l'intérieur du corps, de distribuer des médicaments ou de réparer des tissus endommagés. Les « robots en gélatine » pourraient également être utilisés pour pénétrer dans des environnements sensibles, comme des zones à haut niveau de radioactivité. Cette technologie pourrait même servir à la fabrication de jouets pour enfants.