Inspirée par la structure des muscles, une nouvelle stratégie innovante pour créer des actionneurs à fibres pourrait conduire à des avancées dans la robotique, les prothèses et les vêtements intelligents, selon une équipe de scientifiques dirigée par Penn State qui a découvert le processus.

"Les actionneurs sont tout matériau qui changera ou se déformera sous des stimuli externes, comme les pièces d'une machine qui se contracteront, se plieront ou se dilateront", a déclaré Robert Hickey, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State. "Et pour des technologies comme la robotique, nous devons développer des versions souples et légères de ces matériaux qui peuvent essentiellement agir comme des muscles artificiels. Notre travail consiste vraiment à trouver une nouvelle façon de le faire."

L'équipe a développé un processus en deux étapes pour fabriquer des actionneurs à fibres qui imitent la structure des fibres musculaires et qui excellent à plusieurs égards par rapport aux autres actionneurs actuels, notamment en termes d'efficacité, de contrainte d'actionnement et de propriétés mécaniques. Ils ont rapporté leurs découvertes aujourd'hui (2 juin) dans la revue Nature Nanotechnology .

"C'est un vaste domaine et il y a beaucoup de recherches passionnantes, mais elles se sont vraiment concentrées sur les matériaux d'ingénierie pour optimiser les propriétés", a déclaré Hickey. "Ce qui rend notre travail passionnant, c'est que nous nous concentrons vraiment sur le lien entre la chimie, la structure et la propriété."

Hickey dirigeait auparavant une équipe qui produisait des matériaux hydrogel nanostructurés auto-assemblés. Les hydrogels sont des réseaux de polymères qui peuvent gonfler et retenir de grandes quantités d'eau tout en conservant leur structure.

Dans la nouvelle recherche, les scientifiques ont découvert que les fibres constituées de ce matériau hydrogel peuvent s'étirer plusieurs fois par rapport à leur longueur d'origine lorsqu'elles sont hydratées et durcir et se verrouiller dans la forme allongée lorsqu'elles sont séchées à l'état étendu. L'ajout d'eau ou de chaleur permet au matériau de reprendre sa taille d'origine, ce qui le rend prometteur pour une utilisation en tant qu'actionneur, ont déclaré les scientifiques.

"Nous avons commencé à reconnaître que ces fibres se contractaient et affichaient des propriétés vraiment fascinantes", a déclaré Hickey. "Lorsque nous avons commencé à caractériser la structure, nous avons réalisé qu'il se passait des choses fondamentalement intéressantes ici. Et nous avons commencé à reconnaître qu'à bien des égards, la structure de ces muscles naturels imitait ou reflétait."

Les matériaux sont constitués de structures nanométriques hautement alignées avec des domaines cristallins et amorphes alternés, ressemblant au motif ordonné et strié du muscle squelettique des mammifères, ont déclaré les scientifiques.

Les propriétés d'étirement exceptionnelles des hydrogels sont le résultat de la combinaison de domaines nanométriques amorphes rigides et de pores micrométriques remplis d'eau. Lorsque les hydrogels sont étirés, ils se rétractent comme un élastique. Si les fibres étirées sont séchées à l'état étendu, le réseau polymère cristallisera, bloquant la forme allongée des fibres.

"Nous pensons que l'une des raisons fondamentales pour lesquelles nous avons ces propriétés exceptionnelles est que les fibres sont organisées très précisément à l'échelle du nanomètre, de la même manière que le sarcomère d'un muscle humain", a déclaré Hickey. "Ce qui se passe, c'est que vous avez une contraction uniforme. Ces domaines amorphes sont tous organisés précisément le long de la fibre, ce qui signifie qu'ils se contractent dans une seule direction, ce qui donne lieu à cette capacité de revenir à cet état d'origine."

L'application d'eau ou de chaleur sur les matériaux étirés fait fondre les cristaux et permet au matériau de retrouver sa forme d'origine. Lorsqu'il est étiré à cinq fois sa longueur d'origine, le matériau peut revenir à moins de 80% de sa taille et peut le faire sur plusieurs cycles sans déclin de performance, ont déclaré les scientifiques.

"Le fait que nous puissions utiliser deux stimuli différents, la chaleur et l'eau, pour déclencher l'actionnement ouvre le double des possibilités pour les matériaux fabriqués avec cette méthode", a déclaré Hickey. "La plupart des actionneurs sont déclenchés par un seul stimulus. Les doubles stimuli ouvrent la polyvalence de nos matériaux." + Explorer plus loin

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