Les chercheurs ont démontré une « flexoélectricité géante » dans les élastomères souples qui pourrait améliorer la plage de mouvement du robot et faire des stimulateurs cardiaques autonomes une réelle possibilité. Dans un article publié ce mois-ci dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, des scientifiques de l'Université de Houston et du Laboratoire de recherche de l'Air Force expliquent comment transformer des substances apparemment ordinaires comme le caoutchouc de silicone dans une centrale électrique.

Qu'ont en commun les éléments suivants :Un dispositif médical implanté autoalimenté, un robot doux ressemblant à un humain et comment entendons-nous le son ? La réponse à la question de savoir pourquoi ces deux technologies et phénomènes biologiques disparates sont similaires réside dans la façon dont les matériaux qui les composent peuvent changer considérablement de taille et de forme - ou se déformer - comme un élastique, lorsqu'un signal électrique est envoyé.

Certains matériaux dans la nature peuvent remplir cette fonction, agissant comme un convertisseur d'énergie qui se déforme lorsqu'un signal électrique est envoyé ou fournit de l'électricité lorsqu'il est manipulé. C'est ce qu'on appelle la piézoélectricité et est utile dans la création de capteurs et d'électronique laser, parmi plusieurs autres utilisations finales. Cependant, ces matériaux naturels sont rares et consistent en des structures cristallines rigides souvent toxiques, trois inconvénients distincts pour les applications humaines.

Les polymères synthétiques offrent des étapes pour soulager ces points douloureux en éliminant la rareté des matériaux et en créant des polymères mous capables de se plier et de s'étirer, appelés élastomères souples, mais auparavant, ces élastomères mous manquaient d'attributs piézoélectriques significatifs.

Dans un article publié ce mois-ci dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, Kosar Mozaffari, étudiant diplômé au Cullen College of Engineering de l'Université de Houston; Pradeep Sharma, M.D. Anderson Chair Professor &Department Chair of Mechanical Engineering à l'Université de Houston et Matthew Grasinger, Stagiaire postdoctoral LUCI au Laboratoire de recherche de l'Armée de l'Air, proposer une solution.

"Cette théorie crée une connexion entre l'électricité et le mouvement mécanique dans des matériaux mous ressemblant à du caoutchouc, " a déclaré Sharma. " Alors que certains polymères sont faiblement piézoélectriques, il n'y a pas de caoutchouc vraiment mou comme des matériaux piézoélectriques."

Le terme pour ces élastomères souples multifonctionnels à capacité accrue est « flexoélectricité géante ». En d'autres termes, ces scientifiques démontrent comment augmenter les performances flexoélectriques dans les matériaux mous.

"La flexoélectricité dans la plupart des matériaux en caoutchouc souple est assez faible, " dit Mozaffari, "mais en réarrangeant les chaînes en cellules unitaires au niveau moléculaire, notre théorie montre que les élastomères souples peuvent atteindre une plus grande flexoélectricité de près de 10 fois la quantité conventionnelle."

Les utilisations potentielles sont profondes. Des robots de type humain fabriqués avec des élastomères souples qui contiennent des propriétés flexoélectriques accrues seraient capables d'une plus grande amplitude de mouvement pour effectuer des tâches physiques. Les stimulateurs cardiaques implantés dans le cœur humain et utilisant des piles au lithium pourraient à la place être autoalimentés, car le mouvement naturel génère de l'énergie électrique.

La mécanique des élastomères souples générant et manipulés par des signaux électriques reproduit une fonction similaire observée dans les oreilles humaines. Les sons frappent le tympan qui vibre et envoie des signaux électriques au cerveau, qui les interprète. Dans ce cas, le mouvement peut manipuler des élastomères souples et générer de l'électricité pour alimenter un appareil par lui-même. Ce processus d'autoproduction d'énergie par mouvement apparaît comme une avancée par rapport à une batterie typique.

Les avantages de cette nouvelle théorie s'étendent au-delà de cela. En cours de recherche, la capacité de concevoir une cellule unitaire qui est invariante à l'étirement - ou qui reste inchangée sous une transformation d'étirement indésirable - a émergé.

"Pour certaines applications, nous exigeons que certaines quantités d'électricité soient générées quelle que soit la déformation d'étirement, alors qu'avec d'autres applications, nous souhaitons autant de production d'électricité que possible, et nous avons conçu pour ces deux cas », a déclaré Mozaffari.

« Dans nos recherches, nous avons découvert une méthode pour rendre invariante l'étirement d'une cellule unitaire. La nature accordable de la direction flexoélectrique peut être utile pour produire des robots souples et des capteurs souples."

En d'autres termes, la quantité d'énergie électrique générée par diverses stimulations physiques peut être contrôlée afin que les appareils effectuent des actions dirigées. Cela peut modérer le fonctionnement des appareils électroniques autosuffisants.

Les prochaines étapes consistent à tester cette théorie dans un laboratoire à l'aide d'applications potentielles. En outre, les efforts visant à améliorer l'effet flexoélectrique dans les élastomères souples feront l'objet d'une étude plus approfondie.