Depuis leur invention à la fin des années 1700 lorsque le physicien britannique d'origine française Denis Papin, l'inventeur de l'autocuiseur, proposé le principe du piston, les pistons ont été utilisés pour exploiter la puissance des fluides pour effectuer des travaux dans de nombreuses machines et appareils.

Les pistons conventionnels sont constitués d'une chambre rigide et d'un piston à l'intérieur, qui peut glisser le long de la paroi intérieure de la chambre tout en maintenant une étanchéité parfaite. Par conséquent, le piston divise deux espaces, qui sont remplis de deux fluides et reliés à deux sources de fluides extérieures. Si les fluides ont des pressions différentes, le piston glissera dans la direction où la pression est la plus basse et peut en même temps entraîner le mouvement d'un arbre ou d'un autre dispositif pour effectuer un travail physique. Ce principe a été utilisé pour concevoir de nombreuses machines, y compris divers moteurs à pistons, élévateurs et grues hydrauliques tels que ceux utilisés sur les chantiers de construction, et des outils électriques.

Cependant, les pistons conventionnels souffrent de plusieurs défauts :les frottements élevés entre le piston mobile et la paroi de la chambre peuvent entraîner une rupture du joint, fuite, et des dysfonctionnements graduels ou soudains. En outre, surtout dans le spectre de pression inférieur, l'efficacité énergétique et la vitesse de réponse sont souvent limitées.

Maintenant, une équipe de roboticiens du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard, la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a développé une nouvelle façon de concevoir des pistons qui remplace leurs éléments rigides conventionnels par un mécanisme utilisant des structures compressibles à l'intérieur d'une membrane faite de matériaux souples.

Les « pistons de tension » qui en résultent génèrent plus de trois fois la force des pistons conventionnels comparables, éliminer une grande partie de la friction, et à basse pression, ils sont jusqu'à 40 % plus écoénergétiques. L'étude est publiée dans Matériaux fonctionnels avancés .

"Ces "pistons de tension" fabriqués avec des structures incorporant des les matériaux flexibles sont une approche fondamentalement nouvelle de l'architecture des pistons, qui ouvrent un vaste espace de conception. Ils pourraient être déposés dans des machines, remplacement des pistons conventionnels, améliorer l'efficacité énergétique, " a déclaré Wood, membre fondateur du corps professoral du Wyss Institute et auteur co-correspondant, Doctorat., qui est également professeur Charles River d'ingénierie et de sciences appliquées à SEAS et co-responsable de la Bioinspired Soft Robotics Initiative du Wyss Institute. " Surtout, ce concept permet également une gamme de nouvelles géométries et variations fonctionnelles qui peuvent permettre aux ingénieurs d'inventer de nouvelles machines et dispositifs et de miniaturiser ceux qui existent déjà."

Wood a dirigé l'étude avec Daniela Rus, Doctorat., Professeur et directeur du Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL) du MIT et Shuguang Li, Doctorat., un boursier postdoctoral encadré par Wood et Rus.

Le concept de piston de tension s'appuie sur les «muscles artificiels inspirés de l'origami à commande fluide» (FOAM) de l'équipe qui utilisent des matériaux souples pour donner aux robots souples plus de puissance et de contrôle de mouvement tout en conservant leurs architectures flexibles. Les mousses sont constituées d'une structure pliée qui est incorporée dans un fluide dans une peau flexible et hermétiquement scellée. La modification de la pression du fluide déclenche le déploiement ou l'effondrement de la structure en forme d'origami le long d'un chemin géométrique préconfiguré, ce qui induit un changement de forme dans l'ensemble de la MOUSSE, lui permettant de saisir ou de libérer des objets ou d'effectuer d'autres travaux.

"En principe, nous avons exploré l'utilisation de MOUSSE comme pistons dans une chambre rigide, " a déclaré Li. " En utilisant une membrane flexible liée à une structure squelettique compressible à l'intérieur, et en le connectant à l'un des deux ports fluides, nous pouvons créer un compartiment de fluide séparé qui présente la fonctionnalité d'un piston."

Les chercheurs ont montré qu'une augmentation de la pression motrice dans le deuxième réservoir de fluide entourant la membrane dans la chambre augmente les forces de tension dans le matériau de la membrane qui sont directement transmises à la structure squelettique liée. En reliant physiquement le squelette à un élément d'actionnement qui sort de la chambre, la compression du squelette est couplée à un mouvement mécanique extérieur au piston.

"De meilleurs pistons pourraient transformer fondamentalement la façon dont nous concevons et utilisons de nombreux types de systèmes, des amortisseurs et moteurs de voiture aux bulldozers et équipements miniers, " dit Rus, Andrew (1956) et Erna Viterbi professeur de génie électrique et d'informatique au MIT. "Nous pensons qu'une approche comme celle-ci pourrait aider les ingénieurs à concevoir différentes manières de rendre leurs créations plus solides et plus économes en énergie."

L'équipe a testé son piston contre un piston conventionnel dans une tâche de concassage d'objets, et a montré qu'il cassait des objets comme des crayons en bois à des pressions d'entrée beaucoup plus faibles (pressions générées dans le compartiment de fluide entourant la peau). Aux mêmes pressions d'entrée, en particulier dans la plage de pression inférieure, les pistons de tension ont développé des forces de sortie plus de trois fois supérieures et affichent une efficacité énergétique plus de 40 % supérieure en exploitant la tension induite par le fluide dans leurs matériaux de peau flexibles.

"En configurant les squelettes compressibles avec des géométries très différentes comme une série de disques discrets, comme des squelettes articulés, ou comme squelettes de ressort, les forces de sortie et les mouvements deviennent hautement réglables, " a déclaré Li. "Nous pouvons même incorporer plus d'un piston de tension dans une seule chambre, ou allez encore plus loin et fabriquez également la chambre environnante avec un matériau flexible comme un tissu en nylon étanche à l'air."