Un conducteur d'électricité, détection de l'environnement, machine à changer de forme de la taille d'une cellule humaine ? Est-ce que c'est possible?

Les physiciens de Cornell Paul McEuen et Itai Cohen ne disent pas seulement oui, mais ils ont en fait construit le "muscle" pour un.

Sous la direction du chercheur postdoctoral Marc Miskin, l'équipe a fabriqué un exosquelette de robot qui peut rapidement changer de forme lorsqu'il détecte des changements chimiques ou thermiques dans son environnement. Et, ils prétendent, ces micro-machines – équipées d'électronique, charges utiles photoniques et chimiques – pourraient devenir une plate-forme puissante pour la robotique à l'échelle de la taille des micro-organismes biologiques.

"Vous pourriez mettre la puissance de calcul du vaisseau spatial Voyager sur un objet de la taille d'une cellule, " dit Cohen. " Alors, où vas-tu explorer?"

"Nous essayons de construire ce que vous pourriez appeler un "exosquelette" pour l'électronique, " dit McEuen, le professeur John A. Newman de sciences physiques et directeur de l'Institut Kavli à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique. "À l'heure actuelle, vous pouvez fabriquer de petites puces informatiques qui traitent beaucoup d'informations… mais elles ne savent pas comment bouger ou faire plier quelque chose. "

Leur travail est décrit dans "Graphene-based Bimorphs for Micron-sized, Machines à origami autonomes, " publié le 2 janvier dans Actes de l'Académie nationale des sciences . Miskin est l'auteur principal; parmi les autres contributeurs figuraient David Muller, le professeur d'ingénierie Samuel B. Eckert, et les doctorants Kyle Dorsey, Baris Bircan et Yimo Han.

Les machines se déplacent à l'aide d'un moteur appelé bimorphe. Un bimorphe est un assemblage de deux matériaux - dans ce cas, le graphène et le verre – qui se plient lorsqu'ils sont entraînés par un stimulus comme la chaleur, une réaction chimique ou une tension appliquée. Le changement de forme se produit parce que, en cas de chaleur, deux matériaux avec des réponses thermiques différentes se dilatent de quantités différentes au cours du même changement de température.

En conséquence, le bimorphe se plie pour soulager une partie de cette tension, permettant à une couche de s'étirer plus longtemps que l'autre. En ajoutant des panneaux plats rigides qui ne peuvent pas être pliés par des bimorphes, les chercheurs localisent la flexion pour n'avoir lieu qu'à des endroits précis, créer des plis. Avec ce concept, ils sont capables de faire une variété de structures pliantes allant des tétraèdres (pyramides triangulaires) aux cubes.

Dans le cas du graphène et du verre, les bimorphes se replient également en réponse à des stimuli chimiques en entraînant de gros ions dans le verre, provoquant son expansion. En règle générale, cette activité chimique ne se produit que sur le bord extérieur du verre lorsqu'il est immergé dans l'eau ou un autre fluide ionique. Comme leur bimorphe n'a que quelques nanomètres d'épaisseur, le verre est fondamentalement tout le bord extérieur et très réactif.

"C'est une belle astuce, " Miskin a dit, "parce que c'est quelque chose que vous ne pouvez faire qu'avec ces systèmes à l'échelle nanométrique."

Le bimorphe est construit en utilisant un dépôt de couche atomique – en « peignant » chimiquement des couches atomiquement minces de dioxyde de silicium sur de l'aluminium sur une lamelle de couverture – puis en transférant par voie humide une seule couche atomique de graphène sur le dessus de la pile. Le résultat est le bimorphe le plus fin jamais réalisé.

Une de leurs machines a été décrite comme étant « trois fois plus grande qu'un globule rouge et trois fois plus petite qu'un gros neurone » une fois pliée. Des échafaudages pliants de cette taille ont déjà été construits, mais la version de ce groupe a un net avantage.

"Nos appareils sont compatibles avec la fabrication de semi-conducteurs, " a déclaré Cohen. "C'est ce qui rend cela compatible avec notre vision future de la robotique à cette échelle."

Et en raison de la force relative du graphène, Miskin a dit, il peut gérer les types de charges nécessaires aux applications électroniques.

"Si vous voulez construire cet exosquelette électronique, " il a dit, "vous en avez besoin pour pouvoir produire suffisamment de force pour transporter l'électronique. Le nôtre le fait."

Pour l'instant, ces plus petites machines n'ont aucune application commerciale en électronique, détection biologique ou quoi que ce soit d'autre. Mais la recherche fait avancer la science des robots nanométriques, dit McEuen.

"À l'heure actuelle, il n'y a pas de « muscles » pour les petites machines, " il a dit, "donc nous construisons les muscles à petite échelle."