Les genoux et les coudes grattés sont des endroits difficiles pour appliquer un bandage en toute sécurité. Le plus souvent, l'adhésif se décollera de la peau avec seulement quelques plis de l'articulation touchée.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont mis au point une solution plus collante, sous la forme d'une mince, poids léger, film caoutchouteux. Le film adhésif peut coller à des régions fortement déformables du corps, comme le genou et le coude, et conserve sa tenue même après 100 cycles de pliage. La clé de l'adhérence du film est un motif de fentes que les chercheurs ont découpé dans le film, semblable aux coupes faites dans une forme d'art de pliage de papier connue sous le nom de kirigami.

Les chercheurs ont attaché le "film kirigami" au genou d'une volontaire et ont découvert qu'à chaque fois qu'elle pliait le genou, les fentes du film s'ouvrent au centre, dans la région du genou avec la flexion la plus prononcée, tandis que les fentes sur les bords sont restées fermées, permettant au film de rester collé à la peau. Les coupes en kirigami donnent au film non seulement de l'étirement, mais aussi une meilleure adhérence :les coupures qui s'ouvrent libèrent des tensions qui feraient autrement décoller tout le film de la peau.

Pour démontrer les applications potentielles, le groupe a fabriqué un pansement adhésif à motif kirigami, ainsi qu'un coussin chauffant constitué d'un film kirigami enfilé de fils chauffants. Avec l'application d'une alimentation de 3 volts, le coussin maintient une température constante de 100 degrés Fahrenheit. Le groupe a également conçu un film électronique portable équipé de diodes électroluminescentes. Les trois films peuvent fonctionner et coller à la peau, même après 100 flexions du genou.

Ruike Zhao, un post-doctorat au département de génie mécanique du MIT, dit que les adhésifs à motifs kirigami peuvent permettre toute une gamme de produits, des bandages médicaux de tous les jours aux appareils électroniques portables et souples.

"Actuellement dans le domaine de l'électronique douce, les gens attachent principalement des appareils à des régions avec de petites déformations, mais pas dans les zones avec de grandes déformations telles que les régions articulaires, car ils se détacheraient, " dit Ruike. " Je pense que le film kirigami est une solution à ce problème que l'on trouve couramment dans les adhésifs et l'électronique souple. "

Ruike est l'auteur principal d'un article publié en ligne ce mois-ci dans la revue Matière molle . Ses co-auteurs sont les étudiants diplômés Shaoting Lin et Hyunwoo Yuk, avec Xuanhe Zhao, le professeur de développement de carrière Noyce au département de génie mécanique du MIT.

Adhésion à une forme d'art

En août 2016, Ruike et ses collègues ont été approchés par des représentants d'une entreprise de fournitures médicales en Chine, qui a demandé au groupe de développer une version améliorée d'un pansement analgésique populaire que l'entreprise fabrique actuellement.

"Les adhésifs comme ces pansements sont très couramment utilisés dans notre vie quotidienne, mais quand vous essayez de les attacher à des endroits qui rencontrent de grandes, mouvement de flexion inhomogène, comme les coudes et les genoux, ils se détachent généralement, " dit Ruike. " C'est un énorme problème pour l'entreprise, qu'ils nous ont demandé de résoudre."

L'équipe a considéré le kirigami comme une solution potentielle. A l'origine un art populaire asiatique, kirigami est la pratique de découper des motifs complexes dans du papier et de plier ce papier, un peu comme l'origami, créer du beau, structures tridimensionnelles élaborées. Plus récemment, certains scientifiques ont exploré le kirigami comme moyen de développer de nouveaux, matériaux fonctionnels.

"Dans la plupart des cas, les gens font des coupes dans une structure pour la rendre extensible, " dit Ruike. "Mais nous sommes le premier groupe à trouver, avec une étude systématique des mécanismes, qu'une conception de kirigami peut améliorer l'adhérence d'un matériau."

Les chercheurs ont fabriqué de minces films de kirigami en versant un élastomère liquide, ou une solution de caoutchouc, dans des moules imprimés en 3D. Chaque moule a été imprimé avec des rangées de rainures décalées de différents espacements, que les chercheurs ont ensuite rempli de la solution de caoutchouc. Une fois durci et sorti des moules, les fines couches d'élastomère étaient parsemées de rangées de fentes décalées. Les chercheurs disent que le film peut être fabriqué à partir d'un large éventail de matériaux, des polymères mous aux tôles dures.

Ruike a appliqué une fine couche adhésive, similaire à ce qui est appliqué aux bandages, à chaque film avant de l'attacher au genou d'un volontaire. Elle a pris note de la capacité de chaque film à coller au genou après des flexions répétées, par rapport à un film élastomère qui n'avait pas de motifs kirigami. Après un seul cycle, la plaine, film continu rapidement détaché, alors que le film kirigami a maintenu son emprise, même après 100 flexions du genou.

Un équilibre dans la conception

Pour savoir pourquoi les coupes kirigami améliorent les propriétés adhésives d'un matériau, les chercheurs ont d'abord collé un film de kirigami sur une surface polymère, puis soumis le matériau à des tests d'étirement. Ils ont mesuré la quantité d'étirement qu'un film de kirigami peut subir avant de se décoller de la surface du polymère - une mesure qu'ils ont utilisée pour calculer le "taux de libération d'énergie" critique du matériau, " une quantité à évaluer en se détachant.

Ils ont découvert que ce taux de libération d'énergie variait tout au long d'un même film :lorsqu'ils ont tiré le film de chaque extrémité comme un accordéon, les fentes vers le milieu présentaient un taux de libération d'énergie plus élevé et étaient les premières à s'ouvrir sous un étirement moindre. En revanche, les fentes à chaque extrémité du film ont continué à coller à la surface sous-jacente et sont restées fermées.

A travers ces expériences, Ruike a identifié trois paramètres principaux qui confèrent aux films de kirigami leurs propriétés adhésives :le décalage de cisaillement, dans laquelle la déformation par cisaillement du film peut réduire la contrainte sur d'autres parties du film ; décollement partiel, dans lequel les segments de film autour d'une fente ouverte maintiennent une liaison partielle avec la surface sous-jacente ; et déformation inhomogène, dans laquelle un film peut conserver son adhérence globale, même si certaines parties de sa surface sous-jacente peuvent se plier et s'étirer plus que d'autres.

Selon l'application, Ruike dit que les chercheurs peuvent utiliser les résultats de l'équipe comme plan de conception pour identifier le meilleur modèle de coupes et l'équilibre optimal des trois paramètres, pour une application donnée.

"Ces trois paramètres vont aider à guider la conception de soft, matériaux avancés, " dit Ruike. " Vous pouvez toujours concevoir d'autres modèles, tout comme l'art populaire. Il y a tellement de solutions auxquelles nous pouvons penser. Suivez simplement le guidage mécanique pour une conception optimisée, et vous pouvez réaliser beaucoup de choses."

Ruike et ses collègues ont déposé un brevet sur leur technique et continuent de collaborer avec la société de fournitures médicales, qui envisage actuellement de fabriquer des patchs médicaux à partir de films de kirigami.

"Ils fabriquent ce tampon anti-douleur qui est assez populaire en Chine - même mes parents l'utilisent, " dit Ruike. " Alors c'est super excitant. "

L'équipe se diversifie maintenant pour explorer d'autres matériaux sur lesquels modeler des coupes de kirigami.

"Les films actuels sont purement élastomères, " dit Ruike. "Nous voulons changer le matériau du film en gels, qui peut diffuser directement le médicament dans la peau. C'est notre prochaine étape."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.