Depuis plus de 15 ans, chercheurs de l'Université du Texas à Dallas et leurs collaborateurs aux États-Unis, Australie, La Corée du Sud et la Chine ont fabriqué des muscles artificiels en tordant et en enroulant des nanotubes de carbone ou des fils de polymère. Lorsqu'il est alimenté thermiquement, ces muscles agissent en contractant leur longueur lorsqu'ils sont chauffés et en revenant à leur longueur initiale lorsqu'ils sont refroidis. De tels muscles artificiels entraînés thermiquement, cependant, ont des limites.

Les muscles à nanotubes de carbone (CNT) entraînés électrochimiquement offrent une approche alternative pour répondre au besoin croissant de puissant, muscles artificiels à grande course pour des applications allant de la robotique et des pompes cardiaques au morphing des vêtements.

"Les muscles électrochimiques sont particulièrement prometteurs, puisque leurs rendements de conversion d'énergie ne sont pas limités par la limite du moteur thermique thermodynamique des muscles thermiques, et ils peuvent maintenir de grandes courses contractiles tout en supportant de lourdes charges sans consommer d'énergie importante, " a déclaré le Dr Ray Baughman, la chaire distinguée Robert A. Welch en chimie et directeur du Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute à l'UT Dallas. "En revanche, Les muscles humains et les muscles alimentés thermiquement ont besoin d'une grande quantité d'énergie d'entrée pour supporter de lourdes charges, même lorsqu'ils n'accomplissent pas de travail mécanique."

Dans une étude publiée en ligne le 28 janvier dans la revue Science , les chercheurs décrivent la création puissante, muscles du fil électrochimique unipolaire qui se contractent davantage lorsqu'ils sont entraînés plus rapidement, résolvant ainsi des problèmes importants qui ont limité les applications pour ces muscles.

Les muscles du fil CNT alimentés électrochimiquement sont actionnés en appliquant une tension entre le muscle et une contre-électrode, qui conduit les ions d'un électrolyte environnant dans le muscle.

Mais il y a des limites aux muscles CNT électrochimiques. D'abord, l'actionnement musculaire est bipolaire, ce qui signifie que le mouvement musculaire (expansion ou contraction) change de direction lors d'un balayage potentiel. Le potentiel auquel la course change de direction est le potentiel de charge nulle, et la vitesse à laquelle le potentiel change dans le temps est la vitesse de balayage potentielle.

Autre problème :un électrolyte donné n'est stable que sur une plage de tensions particulière. En dehors de cette plage, l'électrolyte se décompose.

"Les muscles du fil précédent ne peuvent pas utiliser toute la plage de stabilité de l'électrolyte, " a déclaré Baughman, un auteur correspondant de l'étude. "Aussi, la capacité du muscle - sa capacité à stocker la charge nécessaire à l'actionnement - diminue avec l'augmentation du taux de balayage potentiel, provoquant une diminution spectaculaire de la course du muscle avec l'augmentation du taux d'actionnement. »

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont découvert que les surfaces intérieures des fils de nanotubes de carbone enroulés pouvaient être recouvertes d'un polymère conducteur ionique approprié contenant des groupes chimiques chargés positivement ou négativement.

"Ce revêtement polymère convertit l'actionnement bipolaire normal des fils de nanotubes de carbone en actionnement unipolaire, où le muscle agit dans une direction sur toute la plage de stabilité de l'électrolyte, " a déclaré Baughman. "Ce comportement longtemps recherché a des conséquences surprenantes qui rendent les muscles à nanotubes de carbone électrochimiques beaucoup plus rapides et plus puissants."

Doctorant en chimie Zhong Wang, un co-premier auteur de l'étude, a expliqué la science sous-jacente:"Le champ dipolaire du polymère déplace le potentiel de charge nulle - c'est là que la charge électronique sur les nanotubes change de signe - en dehors de la plage de stabilité de l'électrolyte. Par conséquent, des ions d'un seul signe sont injectés électrochimiquement pour compenser cette charge électronique, et la course du muscle change dans une direction sur toute cette plage de balayage potentielle utilisable."

Dr Jiuke Mu, professeur agrégé de recherche à l'UT Dallas NanoTech Institute et co-premier auteur, ledit revêtement polymère aide à résoudre le problème de capacité des muscles du fil électrochimique.

"Le nombre de molécules de solvant pompées dans le muscle par chaque ion augmente avec l'augmentation du taux de balayage potentiel pour certains muscles unipolaires, ce qui augmente la taille efficace des ions qui entraînent l'actionnement, " dit Mu. " Ainsi, l'AVC musculaire peut augmenter d'un facteur 3,8 avec l'augmentation du taux de balayage potentiel, tandis que la course des muscles du fil de nanotube de carbone sans le revêtement en polymère diminue d'un facteur de 4,2 pour les mêmes changements de taux de balayage potentiel."

Les avancées fournissent des muscles unipolaires électrochimiques qui se contractent pour générer une puissance mécanique de sortie moyenne maximale par poids musculaire de 2,9 watts/gramme, ce qui est environ 10 fois la capacité typique du muscle humain et environ 2,2 fois la capacité de puissance normalisée en poids d'un moteur diesel V8 turbocompressé.

Le revêtement polymère utilisé pour produire ces résultats était du poly(sodium 4-styrènesulfonate), qui est approuvé pour l'usage de drogues et suffisamment peu coûteux pour être utilisé dans l'adoucissement de l'eau. L'incorporation de cet invité polymère a permis le fonctionnement pratique d'un muscle à nanotubes de carbone à des températures élevées jusqu'à moins de 30 degrés Celsius.

Wang a déclaré que l'équipe a également découvert que le comportement unipolaire, sans coups de balayage améliorés, pourrait être obtenu lorsque des nanoplaquettes d'oxyde de graphène ont été incorporées dans le muscle du fil à l'aide d'un processus de biscrolling que les chercheurs de l'UT Dallas ont créé et breveté.

"L'utilisation de cet invité pour fournir les champs dipolaires nécessaires au comportement unipolaire a augmenté la puissance mécanique contractile moyenne maximale du muscle à un remarquable 8,2 watts/gramme, qui est 29 fois la capacité maximale du même poids musculaire humain et environ 6,2 fois celle d'un moteur diesel V-8 turbocompressé, " a dit Wang.

"Nous avons également découvert que deux types différents de muscles de fils unipolaires, chacun avec des traits à taux de balayage amélioré, peut être combiné pour faire une double électrode, muscle de fil tout solide, éliminant ainsi le besoin d'un bain d'électrolyte liquide, " a déclaré Wang. " Un électrolyte à l'état solide est utilisé pour interconnecter latéralement deux fils de nanotubes de carbone enroulés qui contiennent différents invités polymères, l'un ayant des substituants chargés négativement et l'autre ayant des substituants chargés positivement. Les deux fils se contractent pendant le chargement pour contribuer de manière additive à l'actionnement, en raison de l'injection d'ions positifs et négatifs, respectivement. Ces muscles unipolaires à double électrode ont été tissés pour fabriquer des textiles d'actionnement pouvant être utilisés pour le morphing des vêtements."