Le bois est la source d'un mini matériau musculaire robotique casse-briques développé par des chercheurs en Suède et en Allemagne. Le matériau, un hydrogel spécialement développé, peut changer de forme, se dilater et se contracter à la demande lorsqu'il est contrôlé par des impulsions électroniques de moins de 1 volt.
La robotique n’est qu’une des utilisations potentielles de ce matériau, fabriqué à partir de nanofibres de cellulose (CNF) dérivées du bois. La technologie présente également des possibilités en médecine et en production biochimique.
Les résultats ont été rapportés dans Advanced Materials. par des chercheurs du KTH Royal Institute of Technology.
Contrairement aux muscles robotiques qui se dilatent grâce à la puissance de l'air ou du liquide sous pression, ces hydrogels gonflent en raison du mouvement de l'eau provoqué par des impulsions électrochimiques, explique Tobias Benselfelt, chercheur à la division de technologie des fibres du KTH Royal Institute of Technology.
Les composants clés du matériau sont l'eau, les nanotubes de carbone comme conducteur et les nanofibres de cellulose provenant de la pâte de bois. Bien que le matériau soit un hydrogel, il apparaît sous forme de bandes de plastique lorsqu'il est combiné à des nanofibres de carbone.
La résistance du matériau vient de l’orientation des nanofibres dans la même direction, tout comme le grain du bois. "Les hydrogels de nanofibres gonflent de manière uniaxiale, sur un seul axe, générant une haute pression", explique Benselfelt. "Une seule pièce de 15 x 15 cm peut soulever une voiture de 2 tonnes."
Le gonflement du matériau peut être contrôlé électroniquement grâce à l'ajout de nanotubes de carbone conducteurs à l'hydrogel, ce qui crée ce que les chercheurs appellent des actionneurs électrochimiques d'hydrogel osmotique.
Le professeur Max Hamedi du KTH, co-auteur de l'ouvrage, affirme que l'inspiration pour le projet est venue de la façon dont les plantes poussent.
"Pensez à la force des plantes", dit Hamedi. "Les arbres peuvent pousser sur le trottoir grâce aux mêmes forces que celles que nous appliquons :nous contrôlons simplement cette force électroniquement."
Un aspect passionnant de la recherche est que la porosité du matériau peut être contrôlée électroniquement », explique Benselfelt. La porosité peut être augmentée jusqu'à 400 %, ce qui fait de ces hydrogels un matériau idéal pour les membranes électro-accordables permettant de séparer ou de distribuer des molécules ou des médicaments in situ.
Cette expansion précisément contrôlée permet également au matériau d’exercer suffisamment de force pour briser une petite brique, ce que les chercheurs ont démontré dans le cadre de leur étude. Mais pour l’instant, les chercheurs envisagent que leur utilisation soit limitée à de petits appareils tels que des vannes ou des interrupteurs en microfluidique. "Actuellement, ils se présentent sous forme de feuilles minces, ce qui limite leur utilisation comme muscles artificiels pour les robots plus gros", explique Hamedi.
À plus long terme, une application possible de la robotique pourrait concerner les robots sous-marins. Benselfelt dit que ceux-ci peuvent être utilisés à de grandes profondeurs puisque les hydrogels ne peuvent pas être comprimés par la pression de l'eau.
"En général, c'est un pas vers des machines douces et réalistes. Cependant, cette vision est très lointaine", dit-il.
Un autre avantage de cette technologie est qu’elle est relativement peu coûteuse à fabriquer. L'équipe continue d'optimiser le matériau, d'imprimer des muscles électroniques en 3D et d'étudier comment le mettre à l'échelle pour un usage commercial.
La recherche a été menée au KTH Royal Institute of Technology et au Digital Cellulose Center, et a impliqué des collaborateurs de l'Institut Max Planck des systèmes intelligents, de l'Université de Linköping et de la Technische Universität Braunschweig.
Plus d'informations : Tobias Benselfelt et al, Hydrogels à contrôle électrochimique avec perméabilité électroréglable et actionnement uniaxial, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202303255
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par le KTH Royal Institute of Technology
