D’un coup d’aimant, des « magno-bots » microscopiques effectuent des manœuvres complexes

Jennifer Chu

Sous un microscope, un bouquet de structures en forme de sucettes, chacune plus petite qu’un grain de sable, oscillent doucement dans une boîte de Pétri remplie de liquide. Soudainement, elles se referment d’un coup sec, telles les mâchoires d’un piège à mouches de Vénus, alors qu’un scientifique agite un petit aimant au-dessus de la boîte. Ce qui n’était auparavant qu’un assemblage de minuscules structures passives s’est transformé instantanément en une pince robotique active.

La pince en forme de sucette est une démonstration d’un nouveau type d’hydrogel magnétique mou développé par des ingénieurs du MIT et leurs collaborateurs de l’EPFL et de l’Université de Cincinnati. Dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue Matter, l’équipe du MIT présente une nouvelle méthode pour imprimer et fabriquer le gel, qui peut être transformé en structures tridimensionnelles complexes et activé par aimant.

Ce nouveau gel pourrait servir de base à des robots et matériaux microscopiques, mous et magnétosensibles. Ces « magno-bots » pourraient être utilisés en médecine, par exemple pour libérer des médicaments ou réaliser des biopsies sous l’effet d’un aimant externe.

Faire bouger des objets avec des aimants n’a rien de nouveau, du moins à l’échelle macroscopique. On peut, par exemple, agiter un aimant de réfrigérateur au-dessus d’un tas de trombones qui suivront l’aimant en réponse. Et à l’échelle microscopique, les scientifiques ont conçu une variété de « micro-nageurs » magnétiques — des composants plus petits qu’un millimètre et pouvant être dirigés à distance par un aimant pour se faufiler dans de petits espaces. Dans la plupart des cas, ces conceptions fonctionnent en mélangeant des particules magnétiques dans une résine imprimable et en tirant l’ensemble du nageur dans la direction d’un aimant externe.

En revanche, le nouveau matériau de l’équipe du MIT peut être transformé en structures encore plus complexes et déformables avec une précision micronique. Ces caractéristiques pourraient permettre à un millibot magnétique de déplacer des éléments individuels et d’effectuer des manœuvres plus complexes.

« Nous pouvons désormais fabriquer une architecture 3D souple et complexe avec des composants capables de bouger et de se déformer de manière complexe au sein de la même structure microscopique, » explique l’auteur de l’étude Carlos Portela, professeur associé de génie mécanique au MIT et titulaire de la chaire Robert N. Noyce Career Development. « Pour la robotique microscopique molle, ou la matière sensible aux stimuli, cela pourrait être une capacité révolutionnaire. » 

Les coauteurs du MIT pour cette étude incluent les étudiants diplômés Rachel Sun et Andrew Chen, ainsi que Yiming Ji et Daryl Yee de l’EPFL à Lausanne, en Suisse, et Eric Stewart de l’Université de Cincinnati. 

En un éclair 

Au MIT, le groupe de Portela développe de nouveaux métamatériaux — des matériaux conçus avec des architectures microscopiques uniques qui confèrent des propriétés hors norme. Portela a fabriqué une variété de ces métamatériaux, notamment des architectures extrêmement résistantes et extensibles, ainsi que des designs capables de manipuler le son et de résister à des impacts violents.

Plus récemment, il a étendu ses recherches aux matériaux « programmables », qui peuvent être conçus pour modifier leurs propriétés en réponse à des stimuli, tels que certains produits chimiques, la lumière, et les champs électriques et magnétiques.

Du point de vue de l’équipe, les stimuli magnétiques se démarquent des autres.

« Avec un matériau magnétosensible, nous avons un contrôle à distance et la réponse est instantanée, » explique le coauteur principal Andrew Chen. « Nous n’avons pas besoin d’attendre une réaction chimique lente ou un processus physique, et nous pouvons manipuler le matériau sans le toucher. »

Pour cette nouvelle étude, l’équipe visait à créer un métamatériau magnétosensible pouvant être fabriqué en structures de moins d’un millimètre. Les chercheurs fabriquent généralement des microstructures en utilisant la lithographie à deux photons — une technique d’impression 3D haute résolution qui envoie un laser dans un petit réservoir de résine. Par des flashs répétés, le laser trace un motif microscopique dans la résine, qui se solidifie selon le même motif, créant finalement une minuscule structure tridimensionnelle, couche par couche.

Bien que l’impression 3D sur résine produise des microstructures complexes, utiliser le même procédé pour imprimer des structures magnétiques a été un défi. Les chercheurs ont essayé de combiner la résine avec des nanoparticules magnétiques avant d’imprimer le mélange. Mais les particules magnétiques sont essentiellement des morceaux de métal qui diffusent la lumière ou s’agglomèrent et sédimentent involontairement. Les scientifiques ont découvert que toute particule magnétique dans la résine peut réduire la puissance du laser à un endroit donné et affaiblir la structure résultante ou même empêcher son impression.

« Imprimer directement en 3D des structures déformables à l’échelle micronique avec une fraction élevée de particules magnétiques est extrêmement difficile, souvent au prix d’un compromis entre fonctionnalité magnétique et intégrité structurelle, » explique la coauteure principale Rachel Sun.

Un double trempage imprimé

Les chercheurs ont créé une nouvelle méthode pour fabriquer des microstructures magnétiques, en combinant l’impression 3D sur résine avec un processus de double trempage. Les chercheurs ont d’abord appliqué l’impression conventionnelle sur résine pour créer une microstructure à l’aide d’un gel polymère typique, sans ajout de particules magnétiques. Ensuite, ils ont trempé le gel imprimé dans une solution contenant des ions de fer, que le gel peut absorber. La structure imprégnée de fer est ensuite trempée à nouveau dans une seconde solution d’ions hydroxyde. Les ions de fer dans le gel se lient aux ions hydroxyde, créant des nanoparticules d’oxyde de fer qui sont intrinsèquement magnétiques.

Grâce à ce nouveau procédé, l’équipe peut imprimer des structures complexes de moins d’un millimètre et ajouter des propriétés magnétiques aux structures après l’impression. De plus, ils sont capables de contrôler le degré de magnétisme de chaque élément individuel de la structure. Ils ont découvert qu’en ajustant la puissance du laser lors de l’impression de certains éléments, ils peuvent définir à quel point le gel est réticulé, ou « serré », lors de l’impression. Plus le gel est serré, moins il peut former de particules magnétiques. Ainsi, les chercheurs peuvent déterminer le degré de magnétisme de chaque minuscule élément.

« Cela offre une liberté de conception sans précédent pour imprimer des structures et des matériaux multifonctionnels à l’échelle microscopique, » déclare Sun.

En guise de démonstration, l’équipe a fabriqué des structures en forme de bille et de bâtonnet ressemblant à de minuscules sucettes. Les structures mesuraient moins d’un millimètre de hauteur, avec des billes plus petites qu’un grain de sable. Les chercheurs ont imprimé les sucettes en gel polymère et ont infusé chaque bille avec différentes quantités de particules magnétiques, leur conférant divers degrés de magnétisme. Sous un microscope, ils ont observé qu’en passant un aimant de réfrigérateur ordinaire sur les structures, les sucettes tiraient vers l’aimant à des degrés divers, dans une configuration imitant des doigts de préhension.

« On pourrait imaginer qu’une architecture magnétique comme celle-ci agisse comme un petit robot que l’on pourrait guider dans le corps avec un aimant externe, et qu’elle puisse s’accrocher à quelque chose, par exemple pour réaliser une biopsie, » explique Portela. « C’est une vision que d’autres pourront reprendre à partir de ce travail. »

L’équipe a également fabriqué un interrupteur « bistable » magnétosensible. Ils ont d’abord imprimé un petit rectangle de gel polymère d’un millimètre de long et attaché de chaque côté quatre minuscules structures magnétiques en forme de pagaie. Chaque pagaie mesurait environ 8 microns d’épaisseur — environ la taille d’un globule rouge. Lorsque l’équipe a appliqué un aimant à une extrémité du rectangle, les pagaies se sont retournées vers l’aimant, tirant le rectangle dans la même direction et le verrouillant dans cette position. Lorsque l’aimant a été appliqué de l’autre côté, les pagaies se sont retournées à nouveau, tirant le rectangle, comme un interrupteur, dans la direction opposée.

« Nous pensons qu’il s’agit d’un nouveau type de mécanisme bistable qui pourrait être utilisé, par exemple, dans un dispositif microfluidique, comme une vanne magnétique pour ouvrir ou fermer un flux, » explique Portela. « Pour l’instant, nous avons compris comment fabriquer des architectures magnétiques complexes à l’échelle microscopique et aussi ajuster spatialement leurs propriétés. Cela ouvre beaucoup d’idées intéressantes pour les robots miniatures mous à l’avenir. »

Article : Magnetically Responsive Microprintable Soft Nanocomposites with Tunable Nanoparticle Loading – Journal : Matter – DOI : Lien vers l’étude

Source : MIT