Les scientifiques de l’Institut Terasaki pour l’Innovation Biomédicale (TIBI) ont récemment utilisé des techniques d’intelligence artificielle pour améliorer la conception et la production de nanofibres destinées aux capteurs acoustiques portables. Ces dispositifs acoustiques capturent l’énergie sonore de l’environnement et la convertissent en énergie électrique, utilisable dans des appareils tels que les aides auditives.
De nombreux efforts ont été déployés pour capter les sources d’énergie naturellement présentes et abondantes dans notre environnement. Les panneaux solaires et les éoliennes, par exemple, permettent de récolter efficacement l’énergie du soleil et du vent, de la convertir en énergie électrique et de la stocker pour diverses applications. De même, la conversion de l’énergie acoustique se retrouve dans des dispositifs amplificateurs tels que les microphones, ainsi que dans des appareils électroniques portables et flexibles pour les soins de santé personnalisés.
Les nanogénérateurs piézoélectriques
Actuellement, l’intérêt pour l’utilisation des nanogénérateurs piézoélectriques, qui convertissent les vibrations mécaniques, le stress ou la contrainte en énergie électrique, est croissant. Ces nanogénérateurs peuvent transformer l’énergie mécanique des ondes sonores en électricité. Cependant, cette conversion reste inefficace, car elle se produit principalement dans la gamme des hautes fréquences, alors que la plupart des ondes sonores environnementales se situent dans la gamme des basses fréquences.
Par ailleurs, le choix des matériaux, la conception structurelle et les paramètres de fabrication optimaux rendent la production de nanogénérateurs piézoélectriques complexe.
Dans leur article publié dans Nano Research, les scientifiques du TIBI ont adopté une approche en deux volets pour relever ces défis. Premièrement, ils ont choisi leurs matériaux de manière stratégique et ont opté pour la fabrication de nanofibres en polyfluorure de vinylidène (PVDF), connu pour sa capacité à capturer efficacement l’énergie acoustique. Lors de la préparation du mélange de nanofibres, du polyuréthane (PU) a été ajouté à la solution de PVDF pour conférer de la flexibilité, et la technique d’électrofilage a été utilisée pour produire les nanofibres composites PVDF/PU.
Utilisation de l’IA pour optimiser la fabrication
Ensuite, l’équipe a appliqué des techniques d’intelligence artificielle pour déterminer les meilleurs paramètres de fabrication impliqués dans l’électrofilage des nanofibres PVDF/polyuréthane. Ces paramètres comprenaient la tension appliquée, le temps d’électrofilage et la vitesse de rotation du tambour. L’utilisation de ces techniques a permis à l’équipe d’ajuster les valeurs des paramètres pour obtenir une production d’énergie maximale à partir de leurs nanofibres PVDF/PU.
Pour fabriquer leur capteur d’énergie nanoacoustique, les scientifiques du TIBI ont façonné leurs nanofibres PVDF/PU en un tapis nanofibreux, qu’ils ont ensuite placé entre des couches de mailles d’aluminium servant d’électrodes. L’ensemble a été ensuite encapsulé par deux cadres flexibles.
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Lors des tests comparatifs avec des NAEH fabriqués de manière conventionnelle, les NAEH PVDF/PU générés par IA ont montré une performance globale supérieure, avec un niveau de densité de puissance plus de 2,5 fois supérieur et une efficacité de conversion énergétique significativement plus élevée (66 % contre 42 %).
De plus, les NAEH PVDF/PU générés par IA ont obtenu ces résultats lorsqu’ils ont été testés avec une large gamme de sons de basse fréquence, bien dans les niveaux trouvés dans le bruit de fond ambiant. Cela permet une excellente reconnaissance sonore et la capacité de distinguer les mots avec une haute résolution.
« Les modèles utilisant l’optimisation par intelligence artificielle, comme celui décrit ici, minimisent le temps passé en essais et erreurs et maximisent l’efficacité du produit fini », a déclaré Ali Khademhosseini, Ph.D., directeur et PDG du TIBI. « Cela peut avoir des effets considérables sur la fabrication des dispositifs médicaux avec une praticabilité significative. »
Légende illustration : Utilisation de l’intelligence artificielle pour améliorer la conception et la production de nanofibres utilisées dans les collecteurs d’énergie acoustique à nanofibres portables (NAEH). Ces dispositifs acoustiques captent l’énergie sonore de l’environnement et la convertissent en énergie électrique, qui peut ensuite être utilisée dans des appareils utiles, tels que les prothèses auditives. Crédit : Terasaki Institute for Biomedical Innovation
Article : « A machine learning-guided design and manufacturing of wearable nanofibrous acoustic energy harvesters » – DOI: 10.1007/s12274-024-6613-6
