Des scientifiques conçoivent un matériau synthétique intelligent inspiré de la peau de pieuvre

Ty Tkacik

Malgré la prévalence des matériaux synthétiques dans divers secteurs industriels et scientifiques, la plupart sont développés pour remplir un ensemble limité de fonctions. Pour remédier à cette rigidité, des chercheurs de Penn State, dirigés par Hongtao Sun , professeur adjoint en ingénierie industrielle et manufacturière (IME), ont développé une méthode de fabrication permettant d’imprimer une « peau synthétique intelligente » multifonctionnelle — des matériaux configurables pouvant être utilisés pour crypter ou décrypter des informations, permettre un camouflage adaptatif, alimenter la robotique molle et plus encore.

En utilisant cette approche novatrice, l’équipe a fabriqué une peau intelligente programmable à base d’hydrogel — un matériau gélifié riche en eau. Comparé aux matériaux synthétiques traditionnels aux propriétés fixes, la peau intelligente permet une multifonctionnalité accrue, autorisant les chercheurs à ajuster le contrôle dynamique de l’apparence optique, de la réponse mécanique, de la texture de surface et du changement de forme du gel lorsqu’il est exposé à des stimuli externes comme la chaleur, des solvants ou une contrainte mécanique.

Selon Sun, chercheur principal du projet, l’idée de ce matériau a été inspirée par la biologie naturelle des céphalopodes, comme la pieuvre, qui peut contrôler l’apparence de sa peau pour se camoufler des prédateurs ou communiquer avec ses congénères.

« Les céphalopodes utilisent un système complexe de muscles et de nerfs pour exercer un contrôle dynamique sur l’apparence et la texture de leur peau », explique Sun. « Inspirés par ces organismes mous, nous avons développé un système d’impression 4D pour capturer cette idée dans un matériau synthétique et mou. »

Sun, qui a également des affiliations en ingénierie biomédicale, en science et ingénierie des matériaux et au Materials Research Institute de Penn State, décrit la méthode de l’équipe comme une impression 4D car elle produit des objets 3D qui peuvent s’ajuster de manière réactive en fonction des changements environnementaux. L’équipe a utilisé une technique dite d’impression à encodage par demi-teintes qui traduit les données d’image ou de texture sur une surface sous forme de uns et de zéros binaires pour encoder des informations numériques directement dans le matériau, de manière similaire aux motifs en points utilisés dans les journaux ou les photographies. Cette technique permet à l’équipe de programmer essentiellement sa peau intelligente pour qu’elle change d’apparence ou de texture lorsqu’elle est exposée à des stimuli.

Ces motifs contrôlent la façon dont différentes régions du matériau réagissent à leur environnement, certaines zones se dégonflant ou s’adoucissant plus que d’autres lors de changements de température, d’exposition à des liquides ou de forces mécaniques. En concevant soigneusement les motifs, l’équipe peut décider du comportement global du matériau.

« En termes simples, nous imprimons des instructions dans le matériau », détaille Sun. « Ces instructions indiquent à la peau comment réagir quand quelque chose change autour d’elle. »

Selon Haoqing Yang, doctorant en IME et premier auteur de l’article, l’une des démonstrations les plus frappantes de la peau intelligente est sa capacité à cacher et révéler des informations. Pour illustrer cette fonctionnalité, l’équipe a encodé une photo de la Joconde sur la peau intelligente. Lorsque le film a été lavé à l’éthanol, il est apparu transparent, sans image visible. Cependant, la Joconde est devenue entièrement visible après immersion dans de l’eau glacée, ou lors d’un chauffage progressif.

Bien que la Joconde ait été utilisée comme démonstration, Yang précise que la méthode d’impression de l’équipe leur permet d’encoder n’importe quelle image souhaitée sur l’hydrogel.

« Ce comportement pourrait être utilisé pour le camouflage, où une surface se fond dans son environnement, ou pour le cryptage d’informations, où les messages sont cachés et ne sont révélés que sous des conditions spécifiques », affirme Yang.

L’équipe a également montré que des motifs cachés peuvent être découverts en étirant doucement le matériau et en mesurant sa déformation via une analyse par corrélation d’images numériques. Cela signifie que l’information peut être révélée non seulement visuellement, mais aussi par déformation mécanique, ajoutant une couche de sécurité supplémentaire.

Le matériau s’est avéré très malléable, la peau intelligente pouvait facilement se transformer d’une feuille plate en formes bio-inspirées non traditionnelles avec des textures complexes, selon Sun. Contrairement à de nombreux autres matériaux à changement de forme, cet effet ne nécessite pas plusieurs couches ou matériaux différents. Ces formes et surfaces texturées comme celles observées sur la peau des céphalopodes peuvent être contrôlées par le motif de demi-teintes imprimé numériquement au sein d’une seule feuille.

En s’appuyant sur ces capacités de changement de forme, les chercheurs ont montré que la peau intelligente peut combiner plusieurs fonctions simultanément. En co-concevant soigneusement les motifs de demi-teintes, l’équipe a pu encoder l’image de la Joconde directement dans des films plats qui émergeaient ensuite lors de la transformation du matériau en formes 3D. Lorsque les feuilles plates se courbaient en structures en forme de dôme, l’information de l’image cachée devenait progressivement visible, démontrant comment les changements de forme et d’apparence peuvent être programmés ensemble.

« De la même manière que les céphalopodes coordonnent la forme de leur corps et le motif de leur peau, la peau intelligente synthétique peut simultanément contrôler son apparence et sa déformation, le tout au sein d’un seul matériau mou », souligne Sun.

Selon Sun, ces travaux s’appuient sur des efforts antérieurs d’impression 4D d’hydrogels intelligents, également publiés dans Nature Communications . Dans cette étude précédente, l’équipe s’était concentrée sur la co-conception des propriétés mécaniques et du changement de forme programmable 2D vers 3D. Dans le présent travail, l’équipe a développé une méthode d’impression 4D à encodage par demi-teintes pour co-concevoir plus de fonctions au sein d’un seul film d’hydrogel intelligent.

À l’avenir, l’équipe prévoit de développer une plateforme générale et évolutive permettant un encodage numérique précis de multiples fonctions dans un seul système de matériau intelligent adaptatif.

« Cette recherche interdisciplinaire, à l’intersection de la fabrication avancée, des matériaux intelligents et de la mécanique, ouvre de nouvelles opportunités aux implications larges pour les systèmes sensibles aux stimuli, l’ingénierie biomimétique, les technologies de cryptage avancées, les dispositifs biomédicaux et plus encore », conclut Sun.

Les autres co-auteurs affiliés à Penn State incluent Haotian Li et Juchen Zhang, deux doctorants en IME ; et Tengxiao Liu , maître de conférences en ingénierie biomédicale. H. Jerry Qi, professeur de génie mécanique au Georgia Institute of Technology, a également collaboré à ces travaux.

Source : PSU