Un matériau de 15 x 15cm capable de soulever une voiture de 2 tonnes

Dans le domaine de la robotique, un matériau innovant a vu le jour, conçu à partir de cellulose nanofibres (CNFs) dérivées du bois. Ce matériau, une sorte d’hydrogel spécialement développé, a été mis au point par des chercheurs en Suède et en Allemagne. Il a la capacité de changer de forme, de se dilater et de se contracter à la demande lorsqu’il est contrôlé par des impulsions électroniques de moins de 1 volt.

Des applications variées pour ce matériau

La robotique n’est qu’une utilisation potentielle de ce matériau. Il offre également des possibilités dans le domaine de la médecine et de la production biochimique.

Contrairement aux muscles robotiques qui se dilatent grâce à la pression de l’air ou du liquide, ces hydrogels gonflent en raison du mouvement de l’eau entraîné par des impulsions électrochimiques, explique Tobias Benselfelt, chercheur à la Division de Technologie des Fibres de l’Institut Royal de Technologie KTH.

La composition du matériau

Les principaux composants de ce matériau sont l’eau, les nanotubes de carbone en tant que conducteur, et les nanofibres de cellulose qui proviennent de la pulpe de bois. Bien que le matériau soit un hydrogel, il apparaît comme des bandes de plastique lorsqu’il est combiné avec des nanofibres de carbone. La force du matériau provient de l’orientation des nanofibres dans la même direction, tout comme dans le grain du bois.

« Les hydrogels de nanofibres gonflent uniaxialement – sur un seul axe – générant une haute pression », précise Tobias Benselfelt. « Un seul morceau de 15 x 15cm peut soulever une voiture de 2 tonnes. »

Max Hamedi, professeur à la KTH et coauteur de l’étude, explique que le projet a été inspiré par la façon dont les plantes poussent.

« Pensez à la force des plantes », explique le professeur Hamedi. « Les arbres peuvent pousser à travers la chaussée grâce aux mêmes forces que celles que nous appliquons – nous contrôlons simplement cette force électroniquement. »

Contrôle électronique et applications futures

« L’un des aspects les plus intéressants de cette recherche est la possibilité de contrôler électroniquement la porosité du matériau, » explique M. Benselfelt. La porosité peut être augmentée jusqu’à 400 %, ce qui fait de ces hydrogels un matériau idéal pour les membranes électro-modulables permettant de séparer ou de distribuer des molécules ou des médicaments in situ.

Cette expansion contrôlée avec précision permet également au matériau d’exercer une force suffisante pour briser une petite brique, ce que les chercheurs ont démontré dans le cadre de leur étude. Pour l’instant, les chercheurs envisagent de limiter leur utilisation à de petits dispositifs tels que des vannes ou des interrupteurs en microfluidique.

« Actuellement, ils se présentent sous forme de feuilles minces, ce qui limite leur utilisation en tant que muscles artificiels pour des robots de plus grande taille », ajoute Max Hamedi.

Le gonflement du matériau peut être contrôlé électroniquement grâce à l’ajout de nanotubes de carbone conducteurs à l’hydrogel, ce qui crée ce que les chercheurs appellent des actionneurs hydrogel osmotiques électrochimiques.

Une application robotique possible à l’avenir pourrait être dans les robots sous-marins. Tobias Benselfelt indique que ceux-ci peuvent être utilisés à de grandes profondeurs puisque les hydrogels ne peuvent pas être comprimés par la pression de l’eau.

« En général, c’est un pas vers des machines douces qui sont semblables à la vie. Cependant, cette vision est très loin dans le futur », conclut-il.

En synthèse

Ce nouveau matériau issu du bois ouvre des perspectives intéressantes dans le domaine de la robotique et au-delà. Il est relativement peu coûteux à fabriquer et les chercheurs continuent d’optimiser le matériau, d’imprimer en 3D des muscles électroniques, et d’étudier comment le mettre à l’échelle pour une utilisation commerciale.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le nouveau matériau développé pour la robotique ?

C’est un hydrogel spécialement développé à partir de cellulose nanofibres (CNFs) dérivées du bois. Il peut changer de forme, se dilater et se contracter à la demande lorsqu’il est contrôlé par des impulsions électroniques de moins de 1 volt.

Quelles sont les applications potentielles de ce matériau ?

Outre la robotique, ce matériau offre des possibilités dans le domaine de la médecine et de la production biochimique.

Comment fonctionne ce matériau ?

Contrairement aux muscles robotiques qui se dilatent grâce à la pression de l’air ou du liquide, ces hydrogels gonflent en raison du mouvement de l’eau entraîné par des impulsions électrochimiques.

Quelle est la composition de ce matériau ?

Les principaux composants de ce matériau sont l’eau, les nanotubes de carbone en tant que conducteur, et les nanofibres de cellulose qui proviennent de la pulpe de bois.

Quelle est la force de ce matériau ?

Un seul morceau de 15 x 15cm peut soulever une voiture de 2 tonnes.

La recherche a été menée à l’Institut Royal de Technologie KTH et au Centre de Cellulose Numérique, et a impliqué des collaborateurs de l’Institut Max Planck des Systèmes Intelligents, de l’Université de Linköping, et de l’Université Technique de Braunschweig.

Advanced Materials (« Electrochemically Controlled Hydrogels with Electrotunable Permeability and Uniaxial Actuation ») par des chercheurs de l’Institut Royal de Technologie KTH, de l’Institut Max Planck des Systèmes Intelligents, de l’Université de Linköping, et de l’Université Technique de Braunschweig. DOI : https://dx.doi.org/doi:10.1002/adma.202303255

Légende illustration principale : Un disque noir réfléchissant et un disque translucide plus petit tenus dans la paume d’une main. Le muscle d’hydrogel (à gauche) et un morceau d’hydrogel avant sa combinaison avec des nanotubes de carbone. Photo : David Callahan