La traction, un exercice redouté par la plupart, répond à une question fondamentale :vos muscles sont-ils assez forts pour soulever votre propre poids ?

Certains chercheurs de l'Illinois travaillant sur les muscles artificiels obtiennent des résultats que même les individus les plus en forme pourraient envier, concevoir des muscles capables de soulever jusqu'à 12, 600 fois leur propre poids.

Professeur adjoint de sciences mécaniques et d'ingénierie Sameh Tawfick, La boursière postdoctorale Beckman Caterina Lamuta, et Simon Messelot ont récemment publié une étude sur la façon de concevoir des muscles artificiels super forts dans le journal Matériaux et structures intelligents . Les nouveaux muscles sont fabriqués à partir de caoutchouc siloxane renforcé de fibres de carbone et ont une géométrie enroulée.

Ces muscles sont capables non seulement de soulever jusqu'à 12, 600 fois leur propre poids, mais supportant également jusqu'à 60 MPa de contraintes mécaniques, fournissant des courses de traction supérieures à 25% et un travail spécifique jusqu'à 758 J/kg. Cette quantité est 18 fois supérieure au travail spécifique que les muscles naturels sont capables de produire. Lorsqu'il est actionné électriquement, les muscles artificiels à base de fibre de carbone présentent d'excellentes performances sans nécessiter une tension d'entrée élevée :les auteurs ont montré comment un faisceau musculaire de 0,4 mm de diamètre est capable de soulever un demi-gallon d'eau de 1,4 pouces avec seulement 0,172 V/cm de tension appliquée.

"La gamme d'applications de ces muscles artificiels à faible coût et légers est vraiment large et implique différents domaines tels que la robotique, prothèses, orthèses, et appareils d'assistance humaine, " Lamuta a déclaré. "Le modèle mathématique que nous avons proposé est un outil de conception utile pour adapter les performances des muscles artificiels enroulés en fonction des différentes applications. Par ailleurs, le modèle permet une compréhension claire de tous les paramètres qui jouent un rôle important dans le mécanisme d'actionnement, et cela encourage les futurs travaux de recherche vers le développement de nouvelles typologies de muscles enroulés renforcés de fibres avec des propriétés améliorées."

Les muscles artificiels eux-mêmes sont des bobines composées de fibres de carbone commerciales et de polydiméthylsiloxane (PDMS). Un câble de fibres de carbone est d'abord plongé dans du PDMS non durci dilué avec de l'hexane puis torsadé avec une simple perceuse pour créer un fil de forme homogène et de rayon constant. Après le durcissement du PDMS, le fil composite droit est fortement retordu jusqu'à ce qu'il soit entièrement enroulé.

"Les muscles enroulés ont été inventés récemment à l'aide de fils de nylon, " a déclaré Tawfick. " Ils peuvent exercer de grands coups d'actionnement, ce qui les rend incroyablement utiles pour les applications dans les appareils d'assistance humaine :si seulement ils pouvaient être rendus beaucoup plus solides. »

L'équipe s'est fixé comme objectif de transformer les fibres de carbone, un matériau léger très résistant qui est facilement disponible dans le commerce, en muscles artificiels.

"Pour utiliser des fibres de carbone, nous devions comprendre le mécanisme de contraction des muscles enroulés. Une fois que nous avons découvert la théorie, nous avons appris à transformer les fibres de carbone en muscles ultra forts. Nous avons simplement rempli des câbles en fibre de carbone avec le type approprié de caoutchouc de silicone, et leur performance était impressionnante, précisément ce que nous avions visé, ", a déclaré Tawfick. Cette étude démontre que la contraction musculaire est causée par une augmentation du rayon du fil musculaire en raison de la dilatation thermique ou de l'absorption de solvant du limage en silicone. "Les muscles fléchissent lorsque le caoutchouc de silicone écarte localement les fibres dans le câble. , en appliquant une tension, chaleur ou gonflement par un solvant. La pression interne exercée par le caoutchouc de silicone sur les fibres fait que le diamètre du câble se dilate et se déroule, provoquant une course de contraction sur toute la longueur."

Lors de la caractérisation expérimentale, une tension continue a été appliquée aux extrémités de la bobine pour induire le chauffage du composite et provoquer à son tour un actionnement de traction. L'extrémité supérieure de la bobine a été fixée, tandis qu'une charge était attachée au fond pour créer une tension. La course de traction a été capturée par une caméra vidéo, et analysé image par image. L'actionnement en traction a également été induit par un gonflement via de l'hexane liquide délivré au muscle enroulé.

Ces muscles peuvent-ils fléchir encore plus, obtenir des coups plus importants ? L'accord étroit entre les prédictions mathématiques et la réalisation expérimentale permet de répondre à cette question avec confiance. L'équipe a découvert que l'actionnement en traction des muscles enroulés artificiels peut être limité par la capacité du matériau invité (silicone) à se dilater - une limite imposée par les propriétés de dégradation thermique du matériau invité. Cela explique pourquoi les muscles actionnés par le gonflement ont des contraintes d'actionnement plus élevées, ils sont capables de gonfler plus que les muscles induits par la chaleur. Le modèle théorique proposé par les auteurs met en lumière la manière de concevoir du matériel invité qui pourrait permettre aux muscles d'avoir des performances encore plus impressionnantes.