Même si l’électronique s’est de plus en plus réduite, les moteurs, l’hydraulique et autres gadgets utilisés pour entraîner le mouvement ont obstinément résisté à la tendance. Il est difficile de fabriquer et d’assembler des mécanismes minuscules capables de fournir les forces et de gérer les contraintes nécessaires pour entraîner des pièces mobiles exceptionnellement petites. Cette semaine dans Science, plusieurs équipes de chercheurs présentent des études décrivant les progrès réalisés dans la fabrication de petits muscles artificiels — qui utilisent tous de minuscules fibres torsadées pour stocker et libérer de l’énergie. Les fibres pourraient être utilisées dans tout, des robots miniatures aux vannes dans les dispositifs médicaux.
Ces fibres, qui comprennent souvent des polymères légers tels que le nylon ou le polyéthylène haute densité, peuvent être plus puissantes, en fonction de leur poids, que les muscles humains. Au fur et à mesure qu’ils se contractent, certains peuvent soulever plus de 1 000 fois leur propre masse, explique Sameh Tawfick, ingénieur en mécanique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. Les fibres permettent aux ingénieurs de stocker beaucoup d’énergie dans un petit espace, ce qui « leur permet de faire des choses qu’ils ne peuvent pas faire autrement », note Tawfick, qui a co-écrit un point de vue sur les études publiées dans le même numéro de Science.
L’un des nouveaux modèles de muscles artificiels est essentiellement une petite version high-tech des élastiques utilisés pour propulser les avions en bois de balsa. Mais ces fibres ne nécessitent pas d’enroulement à chaque utilisation, explique Jinkai Yuan, scientifique des matériaux à l’Université de Bordeaux en France et co-auteur de l’une des études. Au lieu de cela, ils sont faits d’un polymère à « mémoire de forme » qui se tord et se détourne à mesure que la température du matériau change.
Voici comment l’équipe de Yuan a fait ses muscles: d’abord, les chercheurs ont chauffé une fibre de deux centimètres de long et de 40 microns de diamètre d’un matériau appelé alcool polyvinylique (PVA) au-dessus de sa température de programmation. (Au-dessus de cette température, le matériau prend naturellement une forme; en dessous, le matériau peut en prendre une autre. Si les températures fluctuent autour de ce seuil, le matériau alterne entre les deux formes.) Après avoir tordu la fibre pour stocker de l’énergie, ils l’ont refroidie pour geler sa forme. Lorsque la fibre a de nouveau été chauffée au-dessus de sa température de programmation, elle a rapidement retrouvé sa forme d’origine, explique Yuan.
Bien qu’une fibre de PVA puisse stocker une quantité importante d’énergie, l’équipe a constaté que l’ajout de flocons d’oxyde de graphène de trois à cinq microns au matériau lui permettait de s’enfermer encore plus. C’est parce que ces flocons fléchiraient — et stockaient ainsi de l’énergie, comme le pourrait un ressort — lorsque la fibre a été tordue pour la première fois, mais libéraient ensuite cette énergie lorsqu’elle se détordait. Lors des tests en laboratoire de l’équipe, une fibre sans torsion a filé un peu de papier à 600 tours par minute pendant cinq secondes complètes. Pour démontrer la capacité de stockage d’énergie de la fibre, l’équipe en a utilisé une pour propulser un bateau jouet. Sur une note plus pratique, ce type de muscle artificiel pourrait également ouvrir et fermer de minuscules valves dans les dispositifs médicaux, suggère Yuan.
Alors que les fibres fabriquées par Yuan et ses collègues fournissent un couple lorsqu’elles se tordent et se délient, les muscles artificiels développés par d’autres équipes fonctionnent plus comme de vrais muscles: ils fonctionnent en tirant ou en soulevant des objets. Une équipe dirigée par des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology a créé des fibres qui peuvent étirer plus de 1 000% de leur taille initiale et soulever plus de 650 fois leur propre poids. Ils fonctionnent sur un principe similaire aux bandes bimétalliques des premiers thermostats: la fibre est fabriquée en liant deux matériaux qui se dilatent à des vitesses radicalement différentes à mesure que la température de leur environnement change, explique Polina Anikeeva, scientifique des matériaux au M.I.T. et auteur principal de cette étude.
Le nouveau muscle artificiel de son équipe contient un polyéthylène haute densité (PEHD), le même type de plastique utilisé pour fabriquer des bouteilles recyclables. Il a également un autre matériau, un type de polymère extensible connu sous le nom d’élastomère, explique Anikeeva. Lorsque de petits blocs de ces substances sont chauffés et étirés à travers une buse étroite, ils se lient et sont étirés en une fibre longue et mince. Lorsque la tension dans la fibre est relâchée, l’élastomère rétrécit à sa taille d’origine. Ce changement, à son tour, provoque l’enroulement de la fibre en une forme printanière ressemblant à un vieux cordon téléphonique. Lorsque la fibre est chauffée ou refroidie, le PEHD se dilate ou se contracte environ cinq fois plus rapidement que l’élastomère auquel il est lié, ce qui tend à raccourcir ou à augmenter la longueur totale de la fibre enroulée, respectivement.
Lorsque Anikeeva et ses collègues ont chauffé l’une de leurs fibres de 14 degrés Celsius en quatre secondes, le muscle artificiel a diminué de 50% en longueur totale. Dans d’autres tests, l’équipe a chauffé et refroidi les fibres pour soulever des poids légers ou fléchir un petit bras robotique. Bien que ces tests aient soulevé des poids de la taille d’un gramme, des faisceaux massifs de ces fibres pourraient être utilisés pour effectuer un levage ou un tiraillement plus lourd, explique Anikeeva. Des fibres de plus gros diamètre, ou des faisceaux d’entre elles, pourraient trouver des utilisations en robotique ou en prothèses, note-t-elle.
Une autre équipe faisant état de ses travaux dans la Science de cette semaine a abordé les muscles artificiels d’une manière totalement différente. Bien que ses dispositifs aient été construits autour d’un noyau de fibres torsadées, la partie active du muscle était en fait une mince gaine de matériau entourant le noyau. L’utilisation d’une telle gaine présentait plusieurs avantages, explique Ray Baughman, chef d’équipe et scientifique des matériaux à l’Université du Texas à Dallas. D’une part, note-t-il, cela permet aux ingénieurs d’utiliser des matériaux moins chers pour le noyau d’une fibre. Lui et ses collègues ont développé des muscles entraînés par des fourreaux construits autour de noyaux en fils de nylon, de soie et de bambou. Leurs tests montrent que le choix du matériau pour le cœur d’une fibre n’a pas d’impact dramatique sur ses performances.
Il existe d’autres raisons de construire des muscles entraînés par une gaine, dit Baughman. L’extérieur de la fibre est l’endroit où les stimuli environnementaux, tels que l’humidité ou la présence de certaines substances entraînant son mouvement, seront plus rapidement ressentis, explique-t-il. De plus, le gonflement et le rétrécissement de la gaine, qui est le plus éloigné du centre de la fibre, exerceront plus d’effet de levier que des changements équivalents près du noyau de la fibre.
Contrairement aux autres équipes, Baughman et ses collègues ont développé des fibres qui répondent à plus que de simples changements de température. Certaines gaines musculaires arborées qui gonflent lorsqu’elles sont exposées à la vapeur d’éthanol; d’autres ont été plaqués avec un matériau qui rétrécit lorsqu’il est trempé dans une solution de glucose. Ces sortes de fibres pourraient être utilisées pour ouvrir ou fermer des valves dans des dispositifs médicaux ou pour presser une petite poche et distribuer un médicament. Les fibres qui réagissent à la sueur ou à la vapeur d’eau pourraient être tissées dans des « tissus intelligents » qui ajustent l’étanchéité de leur tissage pour devenir plus respirantes dans des conditions chaudes et humides, explique Baughman. Alternativement, les revêtements qui réagissent aux vapeurs nocives pourraient resserrer le tissage d’un tissu pour protéger les personnes réagissant à un déversement de produits chimiques.
» Je suis extrêmement excité par les développements » rapportés par ces équipes, déclare Tawfick. « Cette technologie a un très bel avenir. »
