Des capteurs auto-réparateurs peu coûteux pour la robotique avancée

Des matériaux gélatineux peu coûteux, développés par des chercheurs de l'Université de Cambridge, peuvent détecter la contrainte, la température et l'humidité. Et contrairement aux robots auto-réparateurs précédents, ils peuvent également se réparer partiellement à température ambiante.

Le potentiel des technologies de détection souples

Les technologies de détection souples pourraient transformer la robotique, les interfaces tactiles et les dispositifs portables, entre autres applications. Cependant, la plupart de ces technologies ne sont pas durables et consomment beaucoup d'énergie.

« Intégrer des capteurs souples dans la robotique nous permet d'obtenir beaucoup plus d'informations, comme la tension sur nos muscles permet à notre cerveau d'obtenir des informations sur l'état de notre corps », a déclaré David Hardman du Département d'ingénierie de Cambridge, premier auteur de l'article publié dans la revue NPG Asia Materials.

Projet SHERO : matériaux auto-réparateurs pour mains robotiques

Dans le cadre du projet SHERO financé par l'UE, Hardman et ses collègues travaillent au développement de matériaux souples, auto-réparateurs et capteurs pour les mains et bras robotiques. Ces matériaux peuvent détecter lorsqu'ils sont endommagés, prendre les mesures nécessaires pour se réparer temporairement, puis reprendre le travail — le tout sans intervention humaine.

« Nous travaillons sur les matériaux auto-réparateurs depuis plusieurs années, mais nous cherchons maintenant des moyens plus rapides et moins chers de fabriquer des robots auto-réparateurs », a déclaré le co-auteur Thomas George-Thuruthel, également du Département d'ingénierie.

Les versions antérieures de robots auto-réparateurs devaient être chauffées pour guérir, mais les chercheurs de Cambridge développent désormais des matériaux qui guérissent à température ambiante, ce qui les rend plus utiles pour les applications réelles.

Le sel comme clé de la conductivité ionique

« Nous avons commencé avec un matériau gélatineux élastique, bon marché, biodégradable et biocompatible, et avons effectué différents tests sur la manière d'incorporer des capteurs en ajoutant de nombreux composants conducteurs », a déclaré Hardman.

Les chercheurs ont découvert que l'impression de capteurs contenant du chlorure de sodium — du sel — au lieu d'encre de carbone donnait un matériau aux propriétés recherchées. Comme le sel est soluble dans l'hydrogel rempli d'eau, il fournit un canal uniforme pour la conduction ionique — le mouvement des ions.

En mesurant la résistance électrique des matériaux imprimés, les chercheurs ont constaté que les changements de contrainte entraînaient une réponse hautement linéaire, qu'ils pouvaient utiliser pour calculer les déformations du matériau. L'ajout de sel a également permis de détecter des étirements de plus de trois fois la longueur initiale du capteur, de sorte que le matériau peut être intégré dans des dispositifs robotiques flexibles et extensibles.

Avantages : coût, durabilité et biocompatibilité

Les matériaux auto-réparateurs sont peu coûteux et faciles à fabriquer, soit par impression 3D, soit par moulage. Ils sont préférables à de nombreuses alternatives existantes car ils montrent une résistance et une stabilité à long terme sans sécher, et sont entièrement fabriqués à partir de matériaux alimentaires largement disponibles.

« C'est un très bon capteur compte tenu de son faible coût et de sa facilité de fabrication », a déclaré George-Thuruthel. « Nous pourrions fabriquer un robot entier en gélatine et imprimer les capteurs où nous en avons besoin. »

Les hydrogels auto-réparateurs adhèrent bien à une gamme de matériaux différents, ce qui signifie qu'ils peuvent être facilement intégrés avec d'autres types de robotique. Par exemple, une grande partie de la recherche au Laboratoire de robotique bio-inspirée, où les chercheurs sont basés, se concentre sur le développement de mains artificielles. Bien que ce matériau soit une preuve de concept, s'il est développé davantage, il pourrait être intégré dans des peaux artificielles et des capteurs portables, biodégradables et sur mesure.