Dans un article du 15 mai publié dans la revue Physical Review Letters , les physiciens de Virginia Tech ont révélé un phénomène microscopique qui pourrait grandement améliorer les performances des dispositifs souples, tels que des robots flexibles et agiles ou des capsules microscopiques pour l'administration de médicaments.
L'article, rédigé par le doctorant Chinmay Katke, le professeur adjoint C. Nadir Kaplan et le co-auteur Peter A. Korevaar de l'Université Radboud aux Pays-Bas, propose un nouveau mécanisme physique qui pourrait accélérer l'expansion et la contraction des hydrogels. D'une part, cela ouvre la possibilité aux hydrogels de remplacer les matériaux à base de caoutchouc utilisés pour fabriquer des robots flexibles, permettant ainsi à ces matériaux fabriqués de se déplacer avec une vitesse et une dextérité proches de celles des mains humaines.
Les robots souples sont déjà utilisés dans le secteur manufacturier, où un appareil ressemblant à une main est programmé pour saisir un article sur un tapis roulant (imaginez un hot-dog ou un morceau de savon) et le placer dans un récipient pour être emballé. Mais ceux utilisés s'appuient désormais sur l'hydraulique ou le pneumatique pour changer la forme de la "main" permettant de ramasser l'objet.
Semblables à notre propre corps, les hydrogels contiennent principalement de l’eau et sont présents partout autour de nous, par exemple la gelée alimentaire et le gel à raser. Les recherches de Katke, Korevaar et Kaplan semblent avoir trouvé une méthode qui permet aux hydrogels de gonfler et de se contracter beaucoup plus rapidement, ce qui améliorerait leur flexibilité et leur capacité à fonctionner dans différents contextes.
Les organismes vivants utilisent l'osmose pour des activités telles que l'éclatement des graines, la dispersion des fruits dans les plantes ou l'absorption de l'eau dans l'intestin. Normalement, nous considérons l’osmose comme un flux d’eau se déplaçant à travers une membrane, avec des molécules plus grosses comme les polymères incapables de traverser. De telles membranes sont appelées membranes semi-perméables et étaient considérées comme nécessaires au déclenchement de l'osmose.
Auparavant, Korevaar et Kaplan avaient réalisé des expériences en utilisant une fine couche de film d'hydrogel composé d'acide polyacrylique. Ils ont observé que même si le film d'hydrogel laisse passer à la fois l'eau et les ions et n'est pas sélectif, l'hydrogel gonfle rapidement en raison de l'osmose lorsque les ions sont libérés à l'intérieur de l'hydrogel et rétrécit à nouveau.
Katke, Korevaar et Kaplan ont développé une nouvelle théorie pour expliquer l'observation ci-dessus. Cette théorie indique que les interactions microscopiques entre les ions et l’acide polyacrylique peuvent faire gonfler l’hydrogel lorsque les ions libérés à l’intérieur de l’hydrogel sont inégalement répartis. Ils ont appelé cela « gonflement diffusio-phorétique des hydrogels ». De plus, ce mécanisme récemment découvert permet aux hydrogels de gonfler beaucoup plus rapidement que ce qui était auparavant possible.
Kaplan a expliqué :Les robots souples et agiles sont actuellement fabriqués avec du caoutchouc, qui « fait le travail mais leurs formes sont modifiées hydrauliquement ou pneumatiquement. Ceci n'est pas souhaité car il est difficile d'imprimer un réseau de tubes dans ces robots pour leur fournir de l'air ou un fluide. ."
Imaginez, dit Kaplan, combien de choses différentes vous pouvez faire avec votre main et à quelle vitesse vous pouvez les faire grâce à votre réseau neuronal et au mouvement des ions sous votre peau. Parce que le caoutchouc et l'hydraulique ne sont pas aussi polyvalents que vos tissus biologiques, qui sont un hydrogel, les robots mous de pointe ne peuvent effectuer qu'un nombre limité de mouvements."
Katke a expliqué que le processus qu'ils ont étudié permet aux hydrogels de changer de forme, puis de revenir à leur forme originale "beaucoup plus rapidement de cette façon" dans des robots mous qui sont plus grands que jamais.
À l'heure actuelle, seuls les robots hydrogels de taille microscopique peuvent répondre à un signal chimique assez rapidement pour être utiles et les plus grands nécessitent des heures pour changer de forme, a déclaré Katke. En utilisant la nouvelle méthode de diffusion-phorèse, des robots mous mesurant jusqu'à un centimètre pourraient être capables de se transformer en quelques secondes seulement, ce qui fera l'objet d'études plus approfondies.
Des robots souples plus grands et agiles, capables de réagir rapidement, pourraient améliorer les dispositifs d'assistance dans les soins de santé, les fonctions de « pick-and-place » dans la fabrication, les opérations de recherche et de sauvetage, les cosmétiques utilisés pour les soins de la peau et les lentilles de contact.
