Ces dernières années, les roboticiens et les scientifiques des matériaux du monde entier ont tenté de créer des systèmes artificiels qui ressemblent à des parties du corps humain et reproduisent leurs fonctions. Ceux-ci incluent des peaux artificielles, des couches protectrices qui pourraient également améliorer les capacités de détection des robots.

Des chercheurs de l'Université Donghua en Chine et du Jülich Center for Neutron Science (JCNS) en Allemagne ont récemment développé une nouvelle peau ionique artificielle très prometteuse basée sur une nanomaille élastique auto-réparable, une structure entrelacée qui ressemble à la peau humaine. Cette peau artificielle, présentée dans un article publié dans Nature Communications , est doux, sans fatigue et auto-cicatrisant.

"Comme nous le savons, la peau est le plus grand organe du corps humain, qui agit à la fois comme une couche protectrice et une interface sensorielle pour garder notre corps sain et perspicace", a déclaré à TechXplore Shengtong Sun, l'un des chercheurs qui a mené l'étude. . "Avec le développement rapide de l'intelligence artificielle et de la robotique douce, les chercheurs tentent actuellement de revêtir les robots humanoïdes d'une "peau artificielle" qui reproduit toutes les propriétés mécaniques et sensorielles de la peau humaine, afin qu'ils puissent également percevoir l'environnement extérieur en constante évolution comme nous. ."

Comme la peau humaine est un système hautement complexe et sophistiqué, imiter toutes ses fonctions peut être extrêmement difficile. Par exemple, la peau humaine peut ressentir divers changements environnementaux, notamment la pression, la déformation de sa surface et les variations de température, simplement en captant des signaux électroniques à base d'ions.

"La peau humaine est douce au toucher, mais elle devient très ferme lorsqu'elle est étirée", a déclaré Sun. "La peau peut aussi guérir naturellement les plaies en quelques jours en réparant entièrement sa structure et ses fonctions. Plus important encore, sur environ 1 million de cycles de déformations par an avec les mouvements du corps, les propriétés de la peau ne se dégraderont pas, suggérant de très bonnes propriétés anti-fatigue. ."

Bien que les scientifiques des matériaux aient récemment mis au point plusieurs peaux artificielles, également appelées peaux électroniques ou ioniques, la plupart de ces systèmes ne peuvent reproduire qu'une partie des attributs naturels de la peau. Sun et ses collègues essaient de concevoir des matériaux plus réalistes et plus proches de la peau depuis plusieurs années.

"En menant nos études, nous avons remarqué que la peau combine plusieurs propriétés intrigantes par une structure nanofibreuse hiérarchique, qui est définie par un échafaudage rigide de fibrilles de collagène intégré dans la matrice d'élastine entrelacée douce", a déclaré Sun. "Ces deux phases non seulement guérissent à l'aide de fibroblastes dermiques lors de la plaie, mais confèrent également une très grande ténacité à la fracture à la peau humaine en fixant les dommages aux nanofibrilles de collagène dures."

S'inspirant de la structure naturelle de la peau, les chercheurs ont entrepris de concevoir une nouvelle peau artificielle basée sur un nanomesh auto-réparable et une matrice ionique, qui peuvent reproduire les fonctions du collagène et de l'élastine, respectivement. Il en est résulté un matériau ressemblant à de la peau qui est doux mais devient ferme lorsqu'il est étiré, une propriété connue sous le nom de "renforcement de la contrainte". De plus, leur peau artificielle peut se guérir de manière autonome après avoir été endommagée, résiste à la fatigue et réagit rapidement aux déformations de forme, ce qui est particulièrement souhaitable pour les applications de détection.

"Inspirés par la structure nanofibreuse réparable de la peau, nous avons créé une peau ionique artificielle en incorporant un échafaudage nanomesh élastique auto-réparable dans une autre matrice ionique douce auto-réparable", a déclaré Sun. "Le nanomesh a été produit par électrofilage de notre polyuréthane synthétique qui peut s'auto-réparer par échange de liaison disulfure à température ambiante. La matrice ionique a été fabriquée en évaporant la solution aqueuse de poly(acrylamide-co-acide acrylique), d'acide hyaluronique et de CaCl2 , qui peut guérir à l'aide de l'humidité. En raison de la capacité de guérison des deux matériaux parents, la peau ionique hybride peut également guérir les dommages en peu de temps."

La peau artificielle créée par Sun et ses collègues possède une structure élastique et nanofibreuse unique qui la rend très résistante à la fatigue. Plus précisément, ses nanofibres de polyuréthane intégrées peuvent couvrir de grandes longueurs de transfert de force, émoussant ainsi les fissures et les empêchant de se propager davantage.

Lors des premières évaluations, le système de peau artificielle a obtenu des résultats très prometteurs. L'équipe a découvert que même avec une encoche prédécoupée, l'ionique hybride restait intacte pendant plus de 10 000 cycles d'étirement. Le seuil de fatigue calculé de la peau ionique hybride est d'environ 2 950 J m ^-2 , presque deux fois plus élevé que le muscle humain (1 000 J m ^-2 ).

"La douceur et l'extensibilité sont les deux propriétés mécaniques les plus importantes pour les matériaux de détection ressemblant à la peau", a déclaré Sun. "Cependant, les conceptions de matériaux conventionnels pour la douceur et l'extensibilité conduisent souvent à une faible robustesse, ce qui est contraire à la durée de vie des peaux ioniques. Nous avons résolu ce problème en produisant une peau ionique hybride qui imite la structure nanofibreuse réparable de la peau humaine."

Le système semblable à la peau créé par cette équipe de chercheurs fait partie des premières peaux artificielles qui sont non seulement douces et extensibles, mais également auto-cicatrisantes et résistantes à la fatigue. À l'avenir, la conception proposée par Sun et ses collègues pourrait être utilisée pour créer d'autres structures robustes et conductrices d'ions basées sur d'autres combinaisons de matériaux.

De plus, leur système de peau artificielle pourrait aider au développement de robots humanoïdes plus résistants à la fatigue, plus performants et moins facilement endommagés avec le temps. Bien que la peau ionique de l'équipe ait obtenu des résultats remarquables jusqu'à présent, elle présente encore des limites notables, que Sun et ses collègues espèrent éventuellement surmonter.

"Parce que nous avons utilisé un hydrogel hygroscopique comme matrice ionique, la stabilité environnementale est relativement faible, en particulier dans des conditions de changement d'humidité", a ajouté Sun. "Dans des conditions environnementales très sèches, la matrice ionique deviendra dure en perdant de l'eau, et la capacité d'auto-guérison de la peau sera également difficile à réaliser. Pour surmonter cette limite, nous sommes maintenant motivés à produire des peaux ioniques encore plus robustes qui peuvent fonctionner de manière fiable dans des conditions difficiles, telles que des températures basses et élevées, sous l'eau, sous vide ou en présence de substances corrosives.Cela sera très utile pour les robots mous qui sont censés fonctionner dans des environnements encore plus compliqués et variables que ceux habités par les humains ." + Explorer plus loin

Une peau artificielle meurtrière pourrait aider les prothèses, les robots détectent les blessures

© 2022 Réseau Science X