Hydrogel intelligent : il se contracte à la demande comme un muscle

Une équipe de recherche allemande a mis au point un nouveau système de matériaux à base d’hydrogel qui fonctionne de manière similaire à un muscle. Ce matériau souple peut être réduit et agrandi à nouveau de manière contrôlée en peu de temps. Ainsi, il pourrait assumer des tâches de mouvement dans la robotique souple, par exemple.

Matériau réactif qui réagit à la chaleur

Les hydrogels, comme ceux utilisés dans les lentilles de contact, sont extrêmement élastiques. Ils sont composés presque entièrement d’eau et leurs propriétés mécaniques sont similaires aux tissus du corps humain.

Certains hydrogels dits réactifs peuvent rétrécir jusqu’à 90% en réaction à leur environnement.

« Nos hydrogels sont thermoréactifs, ce qui signifie qu’ils réagissent à la chaleur. Au-dessus d’une température de 32°C, ils libèrent de l’eau et réduisent ainsi leur volume« , explique le Dr Margarethe Hauck, l’une des auteures principales de l’étude et exerçant à l’Université de Kiel.

Système de canaux internes pour un transport rapide de l’eau

Les scientifiques du monde entier tentent de modifier le volume de tels hydrogels thermoréactifs plus rapidement en utilisant diverses méthodes. Les chercheurs de Kiel ont intégré à leur hydrogel un réseau de minuscules tubes. « Cela lui permet de se réduire et de s’agrandir beaucoup plus rapidement qu’auparavant sans perdre de stabilité. Au contraire, il peut même exercer jusqu’à 4 000 % de force en plus« , explique Lena Saure, doctorante à la chaire de nanomatériaux fonctionnels et également auteure principale.

« Notre approche suit l’exemple de la nature« , déclare le Dr Fabian Schütt, responsable de l’étude et du groupe de recherche junior « Ingénierie des matériaux multi-échelles » à l’Institut des sciences des matériaux de l’Université de Kiel. « Les plantes et les animaux ont des systèmes de canaux structurés en réseau et hiérarchisés pour un transport efficace des substances et des fluides, comme le système capillaire chez les humains. En utilisant ce principe, nous pouvons également améliorer les propriétés des matériaux souples. »

Revêtement de graphène permettant un contrôle électrique

Les nombreux tubes creux interconnectés de quelques micromètres de taille permettent à l’eau de s’écouler librement hors de l’hydrogel et d’y entrer à nouveau, permettant ainsi un changement rapide de son volume. Un revêtement de graphène extrêmement mince rend également les tubes électriquement conducteurs. De cette façon, les chercheurs peuvent chauffer l’hydrogel avec un courant électrique et contrôler le transport de l’eau en appuyant sur un bouton.

« Il s’agit d’un aspect crucial en ce qui concerne l’application pratique de tels actionneurs souples« , souligne le professeur Schütt. En conséquence, l’ensemble du changement de volume ne prend plus que quelques heures au lieu de semaines.

« Pour la première fois, nous pouvons déplacer un hydrogel à la fois rapidement et avec force. Associées à ses propriétés réactives, avec lesquelles il réagit de manière autonome aux stimuli externes, cela nous rapproche décisivement de matériaux intelligents haute performance pour la robotique souple« , conclut le professeur Rainer Adelung.

En synthèse

Cette étude réalisée par des chercheurs de l’Université de Kiel décrit le développement d’un nouvel hydrogel thermoréactif pour la robotique souple. Grâce à un réseau de micro-canaux, cet hydrogel peut changer rapidement de volume sous l’effet de la chaleur, avec une grande force. Un revêtement de graphène le rend électriquement contrôlable. Ces propriétés en font un matériau prometteur pour des applications en robotique souple, notamment médicale.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un hydrogel thermoréactif ?

Un hydrogel thermoréactif est un gel qui réagit à la température. Il se contracte et libère de l’eau quand il est chauffé au-dessus d’une certaine température.

Comment les chercheurs ont-ils accéléré les changements de volume ?

Ils ont intégré un réseau de micro-canaux qui permettent à l’eau de circuler rapidement dans l’hydrogel.

À quoi sert le revêtement de graphène ?

Il rend l’hydrogel électriquement conducteur, ce qui permet de le chauffer et contrôler ses mouvements avec un courant électrique.

Quels sont les avantages de ce matériau ?

Il est flexible, se déforme rapidement, exerce une grande force et est contrôlable électriquement.

Pour quelles applications est-il prometteur ?

La robotique souple, notamment médicale (chirurgie assistée par robot, implants).

Quels sont les défis à relever ?

Accélérer encore les changements de forme. Adapter précisément les propriétés selon les applications.

Quelles suites à ces travaux ?

Tester le matériau dans des dispositifs de robotique souple. L’optimiser pour des applications médicales spécifiques.

Quels sont les points clés à retenir ?

Ce nouvel hydrogel associe vitesse, force et contrôle électrique. Il ouvre la voie à de nouvelles possibilités en robotique souple.

Légende illustration principale : Le matériau devient une pince : sous l’effet de la lumière, l’hydrogel libère de l’eau et se contracte. Ce faisant, il enferme un petit objet qu’il peut à nouveau libérer – Crédit : Margarethe Hauck/Université de Kiel

Margarethe Hauck, Lena M. Saure, Berit Zeller-Plumhoff, Sören Kaps, Jörg Hammel, Caprice Mohr, Lena Rieck, Ali Shaygan Nia, Xinliang Feng, Nicola M. Pugno, Rainer Adelung, Fabian Schütt. Overcoming Water Diffusion Limitations in Hydrogels Via Microtubular Graphene Networks for Soft Actuators. Adv. Mater. 2023, https://doi.org/10.1002/adma.202302816