Matériaux origami en graphène pour robots doux et adaptatifs

Claire Loewen

Des ingénieurs de l’Université McGill ont développé de nouveaux matériaux ultra-minces qui peuvent être programmés pour se déplacer, se plier et se remodeler, à la manière d’origamis animés. Ils ouvrent la porte à des robots plus doux, plus sûrs et plus adaptables, qui pourraient être utilisés dans des outils médicaux se déplaçant délicatement à l’intérieur du corps, des dispositifs portables changeant de forme sur la peau ou des emballages intelligents réagissant à leur environnement.

La recherche, menée conjointement par les laboratoires d’Hamid Akbarzadeh au Département de génie des bioressources et de Marta Cerruti au Département de génie minier et des matériaux, montre comment des feuilles simples, semblables à du papier, réalisées en oxyde de graphène (GO) plié, peuvent être transformées en minuscules dispositifs qui marchent, tournent, se retournent et sentent leur propre mouvement. Deux études connexes démontrent comment ces matériaux peuvent être produits à grande échelle, programmés pour changer de forme et contrôlés soit par l’humidité, soit par des champs magnétiques.

« Les films d’oxyde de graphène sont très prometteurs pour la robotique douce de nouvelle génération et les actionneurs adaptatifs, mais leur déploiement réel reste limité car ils sont fragiles, difficiles à fabriquer à grande échelle et incapables de générer des mouvements complexes ou programmables », explique Cerruti. Un actionneur convertit l’énergie en mouvement pour produire un déplacement ou une fonctionnalité contrôlée.

L’équipe a créé des films de GO à la fois solides et flexibles. Ces matériaux sont bien adaptés à une utilisation dans les robots doux, qui doivent être légers, sûrs pour les humains et capables de se déplacer de manière complexe sans moteurs lourds ni pièces rigides.

Les chercheurs ont utilisé les films de GO pour créer des structures pouvant répondre aux conditions environnementales quotidiennes. Dans la première étude, la structure de type origami s’ouvre en présence d’humidité et se referme en séchant. Dans la seconde étude, des formes similaires ont été combinées avec de minuscules particules magnétiques afin qu’elles puissent être guidées à distance à l’aide d’un aimant, sans fils ni batteries.

Les chercheurs ont découvert que la capacité inhérente de la couche d’oxyde de graphène à conduire l’électricité, qui change lorsque le matériau se plie, permet aux structures pliées de sentir leur propre mouvement. Cela permet aux structures d’agir simultanément comme des actionneurs qui se déplacent et des capteurs qui mesurent le mouvement.

« Ces avancées permettent des métamatériaux en GO robustes, reconfigurables et multifonctionnels, capables de mouvements complexes, de changements de forme définis par l’utilisateur, de détection intégrée et de retour en temps réel, marquant l’émergence des premiers métamatériaux senseurs-actionneurs reconfigurables », souligne Akbarzadeh.