Un nouveau procédé de fabrication permet aux muscles artificiels de se mettre en action

Par Amanda Siegfried

Des chercheurs américains ont inventé une nouvelle méthode peu coûteuse pour fabriquer des muscles artificiels susceptibles d’être utilisés dans des robots, dans des vestes de confort qui deviennent plus isolantes thermiquement à mesure que l’air ambiant se refroidit, et comme collecteurs d’énergie mécanique.

Dans une étude publiée de la revue Science, les chercheurs de l’UT Dallas et leurs collaborateurs décrivent leur méthode sans mandrin pour fabriquer des muscles en polymère thermo-moteur ressemblant à des ressorts, qui peuvent s’étirer à 97 % de leur longueur initiale et dont l’indice de ressort est supérieur à 50.

L’indice de ressort décrit le rapport entre le diamètre moyen d’un ressort et le diamètre de la fibre ou du fil qui le compose. Les ressorts ayant un indice de ressort faible sont étroitement enroulés et plus rigides que ceux ayant un indice plus élevé, qui sont plus lâches et plus flexibles, comme un jouet Slinky.

Ray Baughman, directeur de l’Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute à l’UT Dallas et auteur principal et coauteur de l’étude, est un pionnier de la création de muscles artificiels enroulés à partir de divers matériaux, notamment des fibres polymères et des nanotubes de carbone. Lui et d’autres chercheurs ont déjà fabriqué des muscles enroulés à indice de ressort élevé en enroulant ces fibres, ou fils, autour d’un mandrin, ou d’un axe, pour former la bobine.

« Le problème est qu’il n’existe aucun rapport de procédé pour fabriquer des fils à grand indice de ressort sans mandrin, si ce n’est de dissoudre le mandrin après l’enroulement du muscle, ce qui gaspille la fibre polymère de grand diamètre qui est généralement utilisée comme mandrin et crée un flux de déchets », a déclaré M. Baughman, titulaire de la chaire Robert A. Welch de chimie à l’École des sciences naturelles et des mathématiques.

Mengmeng Zhang, chercheur à l’Institut NanoTech et auteur principal de la nouvelle étude, a dirigé le développement de la technique de fabrication sans mandrin.

« Cette méthode sans mandrin permet de fabriquer des fils à indice de ressort élevé à un coût beaucoup moins élevé », explique Mengmeng Zhang. « Lorsqu’ils sont chauffés et refroidis, ces muscles peuvent se contracter et s’allonger de manière significative en raison de leur indice de ressort élevé. »

L’une des applications de cette technologie est la fabrication de vestes de confort qui ouvrent automatiquement de larges pores d’isolation thermique lorsque la température ambiante devient inconfortable.

M. Baughman et son équipe ont déjà accordé une licence pour leurs muscles artificiels en polymère fabriqués selon un processus d’emballage par mandrin à un fabricant de vêtements qui a incorporé la technologie dans les vestes portées par les membres de l’équipe américaine aux Jeux olympiques d’hiver de 2022 à Pékin. Toutefois, en raison du coût élevé du processus d’emballage par mandrin, les vestes ne sont plus produites commercialement, a ajouté M. Baughman.

« Notre nouvelle méthode sans mandrin pour la fabrication de fibres enroulées à indice de ressort élevé évite ce problème majeur et pourrait donc bientôt permettre la commercialisation de nouvelles vestes à confort réglable », a déclaré M. Baughman.

Selon M. Zhang, la méthode de fabrication permet également de faire varier l’indice de ressort sur toute la longueur d’un muscle. En outre, les chercheurs ont utilisé la méthode sans mandrin pour fabriquer des fils de nanotubes de carbone à indice de ressort élevé, qui pourraient être utilisés pour récolter de l’énergie mécanique ou comme capteurs de déformation auto-alimentés.

Les mouvements précis d’expansion et de contraction des muscles sont entraînés par la chaleur, qui est fournie par l’application d’électricité ou par l’utilisation de solvants ou de moyens électrochimiques.

Le processus de fabrication sans mandrin consiste à insérer une torsion dans des fibres individuelles à un niveau inférieur à la torsion, ce qui les fait s’enrouler sur elles-mêmes, puis à plier les fibres torsadées pour créer des bobines semblables à des ressorts. Pendant le pliage, chaque fibre sert de mandrin à d’autres fibres. Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour cette technologie.

Légende illustration : Ces fibres polymères enroulées et fabriquées sans mandrin ont des indices de ressort de : (C) 7,7 (D) 45,2 (E) 2,6 aux extrémités et 9,6 au milieu, et (F) où l’indice de ressort passe de 2,4 à 18,1. Le diamètre individuel des fibres est de 0,28 millimètre.

Article : « Mandrel-free fabrication of giant spring-index and stroke muscles for diverse applications » – DOI : 10.1126/science.adr6708