Appareils mécatroniques modernes, des machines industrielles aux robots, ont vu une augmentation drastique de la complexité et de la complexité. Avec des fonctionnalités sophistiquées déverrouillées chaque jour qui passe, il y a eu une augmentation inévitable du nombre de composants dont les appareils ont besoin. Et bien que ces avancées soient indéniablement impressionnantes, l'encombrement et le grand nombre de composants sont un obstacle majeur à la "miniaturisation" et à la rentabilité de ces dispositifs.

Mais si, au lieu d'utiliser plusieurs composants encombrants, trouvons-nous un moyen plus intelligent de les construire? C'est ce que les scientifiques, dont le professeur Shingo Maeda, Dr Zebing Mao (Laboratoire des matériaux intelligents, Shibaura Institute of Technology) et le Dr Vito Caccuciolo (Soft Transducers Laboratory, Institut de Microtechnique, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), avoir travaillé, dans une étude récente publiée dans Rapports scientifiques . Les scientifiques ont exploré la possibilité de divers composants d'un dispositif électromécanique, comme l'alimentation, actionneurs, et système de contrôle - étant réduit à un seul morceau d'hydrogel. En faisant cela, ils ont réussi à créer une pompe microfluidique auto-actionnée entraînée uniquement par une réaction chimique oscillatoire, qui a produit avec succès « de l'huile sous pression » (représentant le travail mécanique). le professeur Maeda, qui a dirigé l'étude, dit, "Nous proposons une nouvelle méthode pour réaliser une fonction de pompage simple à l'aide d'un hydrogel auto-oscillant à un seul composant et d'une membrane."

Dans leur étude, les scientifiques se sont concentrés sur un type unique de réaction chimique oscillatoire qui appartient à la classe de réactions Belousov-Zhabotinsky (BZ). Classiquement, une réaction chimique implique un réactif qui donne naissance à un produit pour atteindre un état d'équilibre. Mais, réactions BZ, qui impliquent du brome et un agent oxydant, produire un système qui n'atteint jamais l'équilibre chimique; au lieu, il va et vient entre divers états. Précédemment, les chercheurs avaient observé que les hydrogels et autres polymères abritant une réaction BZ (appelés gels BZ) étaient capables de mouvement autonome car la réaction provoquait des changements structurels légers et périodiques, montrant ainsi beaucoup de potentiel dans les applications mécatroniques. Mais, leur utilisation pratique a été difficile jusqu'à présent. Le professeur Maeda explique, "Les gels BZ signalés précédemment ont montré un très faible déplacement et n'ont été testés qu'en étant immergés dans des bains chimiques, ce qui limite clairement leurs applications potentielles."

Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont surmonté cet obstacle en utilisant une nouvelle approche, ce qui est beaucoup plus prometteur grâce à une mise en œuvre innovante. Prof Maeda explique leur méthodologie, "D'abord, nous produisons des gels BZ et les pré-étirons, ce qui augmente le travail mécanique qui peut être extrait à chaque cycle BZ. Puis, le gel entier et sa solution chimique environnante sont complètement encapsulés. Finalement, le travail mécanique produit par le gonflement et la contraction du gel est transféré à une huile externe par la déformation d'une membrane extensible. comme un "cœur" artificiel pour les machines et produisent un travail mécanique sous forme d'huile sous pression. Les scientifiques ont testé l'approche à la fois virtuellement et expérimentalement, montrant que le concept proposé a du potentiel.

Cette étude met en lumière les mécanismes physiques fondamentaux des gels BZ et indique un moyen d'améliorer leurs performances mécaniques. C'est une étape importante pour combler le fossé technologique qui existe pour convertir l'énergie chimique oscillante en énergie mécanique pour alimenter des appareils utiles. Quelques exemples notables d'applications réalisables à long terme de pompes fabriquées à l'aide de gels BZ se trouvent dans le domaine de la microfluidique, y compris les systèmes d'administration de médicaments, Puces à ADN pour la recherche biomédicale, et de nombreux autres outils biotechnologiques et nanotechnologiques. La pompe à commande automatique proposée par les scientifiques pourrait servir de source d'alimentation à un seul composant dans les systèmes microfluidiques, simplifiant ainsi leur conception, réduire leur coût, et l'élargissement de leur applicabilité.

L'équipe de recherche est optimiste quant à l'idée de faire passer son travail au niveau supérieur à l'avenir, qui impliquera l'optimisation de leur conception par des méthodes chimiques et mécaniques. Ce sera la clé pour provoquer un changement de paradigme dans la conception des dispositifs électromécaniques en prenant un virage plus bio-inspiré. À cet égard, Le professeur Maeda conclut, « Les pompes automotrices augurent de briser le mur de complexité auquel sont confrontés certains systèmes robotiques avec un nombre croissant de fonctions, permettant le développement de machines multifonctionnelles vraiment intelligentes."