Un film de 4 x 5 pouces composé de 10 couches d'élastomères diélectriques haute performance (PHDE) transformables empilés avec 20 actionneurs. Crédit :Laboratoire de recherche sur les matériaux souples/UCLA
Les scientifiques des matériaux de l'UCLA et leurs collègues de l'institut de recherche scientifique à but non lucratif SRI International ont développé un nouveau matériau et un nouveau procédé de fabrication pour créer des muscles artificiels plus solides et plus flexibles que leurs homologues biologiques.
"Créer un muscle artificiel pour permettre le travail et détecter la force et le toucher a été l'un des grands défis de la science et de l'ingénierie", a déclaré Qibing Pei, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UCLA Samueli School of Engineering et auteur correspondant d'un étude récemment publiée dans Science .
Pour qu'un matériau souple puisse être utilisé comme muscle artificiel, il doit être capable de produire de l'énergie mécanique et de rester viable dans des conditions de forte contrainte, ce qui signifie qu'il ne perd pas facilement sa forme et sa résistance après des cycles de travail répétés. Alors que de nombreux matériaux ont été considérés comme des candidats pour la fabrication de muscles artificiels, les élastomères diélectriques (DE) - des matériaux légers à haute densité d'énergie élastique - ont suscité un intérêt particulier en raison de leur flexibilité et de leur ténacité optimales.
Les élastomères diélectriques sont des polymères électroactifs, qui sont des substances naturelles ou synthétiques composées de grosses molécules qui peuvent changer de taille ou de forme lorsqu'elles sont stimulées par un champ électrique. Ils peuvent être utilisés comme actionneurs, permettant aux machines de fonctionner en transformant l'énergie électrique en travail mécanique.
La plupart des élastomères diélectriques sont en acrylique ou en silicone, mais les deux matériaux présentent des inconvénients. Alors que les DE en acrylique traditionnels peuvent atteindre une contrainte d'actionnement élevée, ils nécessitent un pré-étirement et manquent de flexibilité. Les silicones sont plus faciles à fabriquer, mais ils ne peuvent pas résister à de fortes contraintes.
En utilisant des produits chimiques disponibles dans le commerce et en employant un processus de durcissement à la lumière ultraviolette (UV), l'équipe de recherche dirigée par l'UCLA a créé un matériau amélioré à base d'acrylique qui est plus souple, réglable et plus simple à mettre à l'échelle sans perdre sa résistance et son endurance. Alors que l'acide acrylique permet la formation de plus de liaisons hydrogène, rendant ainsi le matériau plus mobile, les chercheurs ont également ajusté la réticulation entre les chaînes polymères, permettant aux élastomères d'être plus souples et plus flexibles. Le film élastomère diélectrique fin, transformable et haute performance résultant, ou PHDE, est ensuite pris en sandwich entre deux électrodes pour convertir l'énergie électrique en mouvement en tant qu'actionneur.
Chaque film PHDE est aussi fin et léger qu'un cheveu humain, d'environ 35 micromètres d'épaisseur, et lorsque plusieurs couches sont empilées, elles deviennent un moteur électrique miniature qui peut agir comme un tissu musculaire et produire suffisamment d'énergie pour alimenter le mouvement des petits robots ou capteurs. Les chercheurs ont réalisé des empilements de films PHDE variant de quatre à 50 couches.
"Cet actionneur flexible, polyvalent et efficace pourrait ouvrir les portes aux muscles artificiels dans les nouvelles générations de robots, ou dans les capteurs et les technologies portables qui peuvent imiter plus précisément ou même améliorer les mouvements et les capacités humaines", a déclaré Pei.
Un robot sauteur, d'environ 1,2 centimètres de diamètre, équipé d'actionneurs PHDE. Crédit :Laboratoire de recherche sur les matériaux souples/UCLA
Artificial muscles fitted with PHDE actuators can generate more megapascals of force than biological muscles and they also demonstrate three to 10 times more flexibility than natural muscles.
Multilayered soft films are usually manufactured via a "wet" process that involves depositing and curing liquid resin. But that process can result in uneven layers, which make for a poor- performing actuator. For this reason, up to now, many actuators have only been successful with single-layer DE films.
The UCLA research involves a "dry" process by which the films are layered using a blade and then UV-cured to harden, making the layers uniform. This increases the actuator's energy output so that the device can support more complex movements.
The simplified process, along with the flexible and durable nature of the PHDE, allows for the manufacture of new soft actuators capable of bending to jump, like spider legs, or winding up and spinning. The researchers also demonstrated the PHDE actuator's ability to toss a pea-sized ball 20 times heavier than the PHDE films. The actuator can also expand and contract like a diaphragm when a voltage is switched on and off, giving a glimpse of how artificial muscles could be used in the future.
The advance could lead to soft robots with improved mobility and endurance, and new wearable and haptic technologies with a sense of touch. The manufacturing process could also be applied to other soft thin-film materials for applications including microfluidic technologies, tissue engineering or microfabrication. A unimorph nanocomposite dielectric elastomer for large-scale actuation
