Au-delà du mimétisme : les muscles artificiels de type fibre surpassent les muscles biologiques
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Les muscles biologiques fonctionnent comme des actionneurs flexibles, générant une force naturelle et une amplitude de mouvement impressionnante. Sans surprise, scientifiques et ingénieurs s'efforcent de concevoir des muscles artificiels capables d'imiter ces capacités. Une nouvelle étude, publiée dans npj Robotics , analyse en profondeur les avancées récentes concernant les muscles artificiels de type fibreux, l'un des types de muscles artificiels les plus réalistes développés à ce jour.
Le caractère unique des muscles artificiels de type fibre
Plusieurs types de muscles artificiels ont été développés, utilisant diverses méthodes d'actionnement telles que la pneumatique, les polymères électroactifs et les matériaux à mémoire de forme en alliages ou polymères. Cependant, nombre d'entre eux présentent des mécanismes de contrôle complexes, une actionnement limité ou sont trop encombrants pour de nombreuses applications.
Les muscles artificiels de type fibreux, quant à eux, offrent une grande flexibilité, une excellente adaptabilité et de multiples degrés de liberté. En imitant la conception et la structure des muscles naturels, ils peuvent réaliser différents types d'actionnement, notamment la flexion, la torsion, la traction et les mouvements isométriques.
« Inspirés des mécanismes naturels et des structures biologiques, les muscles artificiels de type fibreux fonctionnent principalement grâce aux variations de la réponse des fibres internes aux stimuli externes. Ces myofibrilles, à l’échelle microscopique, constituent la base de l’actionnement permettant d’obtenir une course de grande amplitude. Grâce à ces mécanismes, les muscles artificiels de type fibreux peuvent générer hiérarchiquement divers mouvements similaires à ceux des muscles biologiques », expliquent les auteurs de l’étude.
Applications diverses des muscles artificiels à fibres. Crédit : npj Robotics (2025). DOI : 10.1038/s44182-025-00059-8
Réaliser et surpasser des mouvements réalistes
L'actionnement des muscles artificiels à fibres est induit par des modifications de leurs propriétés internes en réponse à des stimuli externes, tels que la lumière, les signaux électriques, la chaleur, les produits chimiques ou l'exposition à des solvants. Ces systèmes utilisent des mécanismes incluant la réorientation moléculaire, l'expansion volumique et les variations d'espacement inter-fibres. La composition et la structure des fibres influencent également le fonctionnement de ces mécanismes d'actionnement.
Les auteurs de l'étude indiquent que, tandis que les muscles biologiques fonctionnent principalement par traction, les muscles artificiels à fibres utilisent souvent la torsion pour réaliser différents modes de mouvement. L'étude recense quatre méthodes d'actionnement courantes pour ces muscles : la torsion, la traction, la flexion et l'actionnement isométrique. L'actionnement par torsion utilise des fibres pré-torsadées qui génèrent un mouvement de rotation lors de leur détorsion.
« Les muscles alimentés par la vapeur, notamment ceux actionnés par l'humidité ou l'éthanol, présentent d'importantes amplitudes de torsion. En termes de vitesse de torsion, les valeurs les plus élevées enregistrées étaient de 11 500 tr/min et 10 500 tr/min, obtenues respectivement par un composite CNT/polymère alimenté thermiquement et par une fibre en alliage NiTi alimentée électrothermiquement », indiquent les auteurs de l'étude.
Parallèlement, l'actionnement par traction — qui implique une extension ou une contraction linéaire le long de la fibre — a atteint une déformation de traction de 8600 % dans les muscles à base de fils enroulés en spirale.
Les modèles isométriques ont également obtenu des résultats impressionnants. Les auteurs de l'étude écrivent : « L'actionnement isométrique électrochimique a été rapporté dans diverses études ; par exemple, une fibre inspirée des moules a démontré des performances élevées avec une contrainte de contraction isométrique maximale de 17,7 MPa. Un muscle artificiel à base de nylon a affiché une contrainte de 28,4 MPa, atteignant plus de 100 fois la contrainte d'actionnement isométrique des muscles squelettiques de mammifères (≈0,35 MPa). »
Enfin, l'actionnement par flexion permet des mouvements imitant la flexion des articulations avec une grande liberté de mouvement. Les auteurs de l'étude affirment que cette technique offre un potentiel pour les applications biomimétiques et robotiques. À titre d'exemple, citons un muscle artificiel à forme programmable, actionné par laser, capable de réaliser des flexions multiples et multidirectionnelles en ajustant la direction et la position du faisceau laser.
Applications et perspectives d'avenir
Les applications potentielles des muscles artificiels à fibres optimisées sont quasi illimitées. En biomédecine, on trouve des dispositifs de fermeture des plaies, des pansements hémostatiques, des vêtements d'assistance pour la rééducation et des instruments de microchirurgie. Les robots souples capables de se déplacer, de ramper, de nager et d'effectuer des tâches biomimétiques peuvent être utilisés dans de nombreux domaines. Il est possible de concevoir des textiles intelligents qui s'adaptent aux variations de température et autres changements environnementaux, permettant ainsi aux personnes d'évoluer plus sereinement dans des environnements hostiles.
Cependant, des progrès restent à faire. Les versions actuelles de muscles artificiels à fibres sont encore limitées par la complexité de leur fabrication et le coût des matériaux, ainsi que par leur durabilité à long terme et leur intégration à d'autres systèmes. Les chercheurs travaillent sur des méthodes permettant d'intégrer des fonctions d'auto-réparation , de détection et de récupération d'énergie dans certains modèles, tandis que d'autres explorent des solutions pour une fabrication durable et à grande échelle, grâce à l'utilisation de matériaux comme le coton ou les fibres de lotus.
Les auteurs de l'étude écrivent : « À l'avenir, les muscles artificiels à fibres optiques reposeront sur l'exploitation de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques d'actionnement pour combler le fossé entre les systèmes de mouvement biologiques et synthétiques. Grâce aux progrès technologiques constants, les muscles artificiels de nouvelle génération devraient atteindre des niveaux d'efficacité, de réactivité et de polyvalence sans précédent, ouvrant la voie à des capacités robotiques accrues et à l'augmentation des capacités humaines. »
https://techxplore.com/news/2025-12-mimicry-fiber-artificial-muscles-outperform.html