Comment les robots en origami dotés de muscles magnétiques pourraient rendre l'administration de médicaments moins invasive et plus efficace
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Une nouvelle technique d’impression 3D permet de créer des « muscles magnétiques » aussi fins que du papier, qui peuvent être appliqués aux structures en origami pour les faire bouger.
En intégrant des élastomères caoutchoutés à des particules ferromagnétiques, des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord aux Etats-Unis ont imprimé en 3D un film magnétique fin pouvant être appliqué à des structures en origami. Exposés au magnétisme, ces films agissent comme des actionneurs qui provoquent le mouvement du système, sans perturber le mouvement de la structure.
Ce type d'aimant souple est unique en raison du peu d'espace qu'il occupe, a déclaré Xiaomeng Fang, professeur adjoint au Wilson College of Textiles et auteur principal d'un article sur cette technique.
« Traditionnellement, les actionneurs magnétiques utilisent des petits aimants rigides comme ceux que l'on place sur un réfrigérateur. On place ces aimants à la surface du robot souple, et ils le font bouger », explique-t-elle. « Grâce à cette technique, nous pouvons imprimer un film fin que nous pouvons placer directement sur les parties importantes du robot en origami sans trop réduire sa surface. »
Les scientifiques ont conçu leur robot principal pour administrer des médicaments aux ulcères du corps humain, grâce à un motif d'origami appelé Miura-Ori. Cette technique permet de replier une grande surface plane sur une surface beaucoup plus petite. Des « muscles » magnétiques sont fixés aux facettes de l'origami ; exposés à un champ magnétique, ils aident l'origami à s'ouvrir et à se diriger vers l'ulcère. Selon Fang, le modèle Miura-Ori est particulièrement adapté à l'administration de médicaments, car il peut être ingéré comme un petit objet, puis s'ouvrir pour administrer le médicament sur toute sa surface.
Les chercheurs ont testé le robot à l'aide d'un estomac artificiel constitué d'une sphère en plastique remplie d'eau chaude. Guidés par magnétisme externe, le robot a pu être manœuvré jusqu'au site de l'ulcère, déployé et maintenu en place grâce à des films magnétiques doux fixés à l'extérieur. Cette configuration a permis une libération contrôlée et régulière du médicament au fil du temps, pour une procédure sûre et non invasive qui permet aux patients de vaquer à leurs occupations quotidiennes.
Les précédentes tentatives d'utilisation de particules ferromagnétiques ont eu du mal à générer une force suffisante pour déplacer les robots, a expliqué Fang, car elles ne parvenaient pas à intégrer suffisamment de particules dans la solution de caoutchouc. L'ajout d'une grande quantité de particules noircit le caoutchouc liquide, ce qui absorbe les UV utilisés pour solidifier la solution et l'empêche de durcir correctement. L'énergie thermique pouvant également contribuer à solidifier le caoutchouc, les chercheurs ont ajouté une plaque chauffante sous la plaque collectrice pour amplifier la lumière UV.
« L'ajout de la plaque chauffante nous a permis d'utiliser une concentration de particules ferromagnétiques bien plus élevée que d'habitude, ce qui a constitué une véritable avancée », a déclaré Fang. « Plus on utilise de particules, plus on peut générer de force magnétique. »
En utilisant un autre motif d'origami Miura-Ori, les chercheurs ont également créé un second robot conçu pour ramper vers l'avant. Placé dans un champ magnétique, des muscles placés à des endroits précis du robot provoquent sa contraction, la partie avant se soulevant et la partie arrière se rapprochant.
Lorsque le champ est désactivé, le mouvement de retour à sa position initiale propulse le robot vers l'avant – d'un seul « pas ». Ce robot origami rampant est capable de franchir des obstacles jusqu'à 7 millimètres de haut à une vitesse réglable par l'intensité et la fréquence du champ magnétique, et de s'adapter à divers terrains, y compris le sable.
Pris ensemble, ces deux robots démontrent le potentiel important des actionneurs magnétiques doux et des structures en origami en robotique, a déclaré Fang.
« Ces muscles peuvent travailler avec de nombreux types de structures origamis, et ils peuvent contribuer à résoudre des problèmes dans des domaines aussi variés que la biomédecine ou l'exploration spatiale », a déclaré Fang. « Il sera passionnant de continuer à explorer de nouvelles applications pour cette technologie. »
L'article, intitulé « Actionneurs origami magnétoactifs souples imprimés en 3D », est publié dans Advanced Functional Materials. Les co-auteurs incluent Sen Zhang, Yuan Li, Zimeng Li, Nabil Chedid, Peiqi Zhang et Ke Cheng de l'Université d'État de Caroline du Nord.