Exploiter la flexoélectricité dans les élastomères souples pour améliorer la mobilité robotique

Certains matériaux dans la nature peuvent changer significativement de taille et de forme — ou se déformer — comme un élastique quand un signal électrique est envoyé. Les matériaux agissent comme un convertisseur d'énergie qui se déforme quand un signal électrique est envoyé à travers ou fournit de l'électricité quand ils sont manipulés. Cela s'appelle la piézoélectricité et est utile dans la création de capteurs et d'électronique laser, parmi plusieurs autres usages finaux. Ces matériaux naturels sont rares et consistent en structures cristallines rigides qui sont souvent toxiques — trois inconvénients distincts pour les applications humaines.

Les polymères artificiels offrent des étapes pour soulager ces points de douleur en éliminant la rareté des matériaux et en créant des polymères souples capables de se plier et s'étirer — connus comme élastomères souples — mais précédemment, ces élastomères souples manquaient d'attributs piézoélectriques significatifs.

Des chercheurs ont démontré une « flexoélectricité géante » dans les élastomères souples qui pourrait améliorer la gamme de mouvement des robots et rendre les stimulateurs cardiaques auto-alimentés une réelle possibilité. Cette théorie ingénieure une connexion entre électricité et mouvement mécanique dans des matériaux souples, caoutchouteux. Bien que certains polymères soient faiblement piézoélectriques, il n'y a pas de matériaux souples, caoutchouteux qui sont piézoélectriques. Le terme pour ces élastomères souples multifonctionnels avec capacité accrue est « flexoélectricité géante » ; en d'autres termes, booster la performance flexoélectrique dans les matériaux souples.

Dans la plupart des matériaux caoutchouteux souples, la flexoélectricité est assez faible mais en réarrangeant les chaînes dans les cellules unitaires à un niveau moléculaire, la théorie montre que les élastomères souples peuvent atteindre une flexoélectricité près de 10⁴ fois le montant conventionnel. Des robots humanoïdes faits avec des élastomères souples contenant des propriétés flexoélectriques accrues seraient capables d'une plus grande gamme de mouvement pour effectuer des tâches physiques. Les stimulateurs cardiaques implantés dans les cœurs humains et utilisant des batteries lithium pourraient plutôt être auto-alimentés car le mouvement naturel génère de l'énergie électrique.

La mécanique des élastomères souples générant et étant manipulés par des signaux électriques réplique une fonction similaire observée dans les oreilles humaines. Les sons frappent le tympan, qui vibre ensuite et envoie des signaux électriques au cerveau, où ils sont interprétés. Dans ce cas, le mouvement peut manipuler les élastomères souples et générer de l'électricité pour alimenter un dispositif par lui-même. Ce processus d'auto-génération d'énergie par le mouvement est un pas au-dessus d'une batterie typique.

Les efforts pour améliorer l'effet flexoélectrique dans les élastomères souples seront le sujet d'études futures.