Les muscles artificiels ont réalisé des gains importants lorsqu'une torsion littérale dans l'approche de développement a découvert les capacités de traction ou d'étirement des fibres polymères une fois qu'elles ont été tordues et enroulées dans une géométrie semblable à un ressort. De la même manière que les puissantes vrilles grimpantes des plants de concombre, la géométrie unique donne à la bobine un mouvement de flexion lorsque le matériau fibreux rétrécit, une réaction qui peut être contrôlée par la chaleur. Maintenant, les chercheurs ont encore amélioré ces propriétés de traction en se concentrant sur les propriétés thermiques de la fibre polymère et la structure moléculaire qui utilise au mieux la configuration chirale.

Dans l'article de couverture paru cette semaine dans Lettres de physique appliquée , Guoqiang Li et son équipe du département de génie mécanique et industriel de la Louisiana State University expliquent comment ils ont développé une nouvelle fibre qui offre une course de traction plus élevée et est déclenchée - ou actionnée - à des températures plus froides de plus de 100 degrés Celsius que ses prédécesseurs.

"Nous avons analysé le principe de la raison pour laquelle la fibre polymère, par torsion et enroulement, peut se comporter si remarquablement, " dit Li, expliquant leur méthodologie. Selon Li, ils ont trouvé deux facteurs déterminants :la nature sans torsion de la fibre pendant l'actionnement et le coefficient de dilatation thermique négatif (NCTE). La fibre polymère à mémoire de forme bidirectionnelle (2W-SMP) que Li et son équipe ont développée ont abordé ces deux facteurs.

En ce qui concerne la détorsion qui pousse cette architecture chirale sur chirale à fléchir et à se contracter, Le groupe de Li s'est concentré sur cette question au niveau moléculaire. Les réponses réversibles du polymère 2W-SMP qui les rendent idéales proviennent d'un réseau moléculaire stable de liaisons chimiques croisées. Le réseau fournit des chaînes de molécules orientées dans le polymère dont la fusion et la recristallisation donnent lieu aux caractéristiques de mémoire importantes de la fibre.

La transition fusion/cristallisation réversible a également fourni de meilleures propriétés de dilatation thermique par rapport aux fibres standard, où l'actionnement provient de la contraction intrinsèque des composants polymères en présence de chaleur (et de la relaxation lorsque la chaleur est retirée). La fibre 2W-SMP présente une dilatation/contraction thermique d'un ordre de grandeur supérieur au NCTE de ses prédécesseurs.

En abordant ces deux caractéristiques, les fibres Li produites et testées dans leurs configurations musculaires torsadées puis enroulées ont montré un plus grand actionnement en traction, mais ils ont également fait baisser la température nécessaire à l'actionnement de ces fibres musculaires artificielles.

« La température d'actionnement est très élevée dans les fibres polymères utilisées précédemment, par exemple ils peuvent aller jusqu'à 160 degrés C, " a déclaré Li. "Pour certaines applications, comme les dispositifs médicaux, [la] température d'actionnement est trop élevée. Vous devez donc trouver un moyen de l'abaisser. » C'est exactement ce que le groupe a fait, signalant des températures d'actionnement maximales de 67 C.

La basse température est importante lorsque l'on considère une multitude d'applications liées à la température du corps humain au-delà des seuls dispositifs médicaux, y compris les textiles respirants et les matériaux auto-cicatrisants dont les structures s'adaptent aux changements environnementaux.

Li et son équipe sont toujours confrontés à des défis avec la performance du travail spécifique de la fibre ainsi que l'efficacité dans la conversion de l'énergie thermique en actionnement, et chercher à résoudre ces problèmes dans les travaux futurs. Une approche potentielle peut être d'incorporer un renforcement conducteur dans le matériau avec des nanotubes de carbone.

"Notre polymère est très doux. Donc en ajoutant un peu de renfort, comme les nanotubes de carbone, nous aurions deux avantages, " dit Li. " Le premier en fait un chef d'orchestre, cela signifie que nous pouvons également utiliser l'électricité et la faire déclencher le comportement musculaire. L'autre est que le nanotube de carbone augmentera la rigidité." Une plus grande rigidité signifie un meilleur stockage d'énergie pour la fibre, qui à son tour augmente l'efficacité de conversion d'énergie.