Des scientifiques ont utilisé le graphène pour créer un capteur destiné aux interfaces cerveau-machine qui permettent de contrôler un robot par la seule pensée.

La mise au point d’un capteur en graphène de pointe a permis de créer une interface capable de contrôler avec précision un robot par la seule force de la pensée. Ce développement a des implications positives non seulement pour les soins de santé, mais aussi pour toute une série d’autres industries.

Les interfaces cerveau-machine (ICM ou BIM en anglais : Brain-machine interface) permettent à une personne de commander un appareil à l’aide de ses ondes cérébrales. En tant qu’interfaces mains libres et sans voix, les interfaces cerveau-machine présentent un grand potentiel pour la robotique, les prothèses bioniques et les voitures à conduite autonome.

Une IMC se compose généralement de trois modules : un stimulus sensoriel externe, une interface de détection et une unité qui traite les signaux neuronaux. Parmi ces trois modules, l’interface de détection est cruciale car elle détecte l’activité électrique générée par la couche externe du cerveau, le cortex cérébral, qui est responsable des processus de plus haut niveau, y compris la fonction motrice.

Mais c’est le cortex visuel, la partie du cortex cérébral qui reçoit et traite les informations envoyées par les yeux, qui est la clé des IMC reposant sur des stimuli visuels. Le cortex visuel est situé tout à l’arrière du cerveau, dans le lobe occipital.

Les ondes cérébrales sont enregistrées par des capteurs implantables ou portables, tels que les électrodes d’électroencéphalographie (EEG). Le problème de l’utilisation d’électrodes EEG et d’autres biocapteurs non invasifs à l’arrière de la tête est qu’il s’agit d’une zone généralement couverte de cheveux.

Les capteurs humides reposent sur l’utilisation d’un gel conducteur sur le cuir chevelu et les cheveux, mais cela peut entraîner le déplacement des capteurs en fonction des mouvements de la personne. Les capteurs secs peuvent être utilisés comme alternative, mais ils présentent également des difficultés : ils sont moins conducteurs que les capteurs humides et, compte tenu de la forme arrondie de la tête, ils peuvent éprouver des difficultés à maintenir un contact adéquat.

Des chercheurs de l’Université de technologie de Sydney (UTS) ont résolu ces problèmes en mettant au point un biocapteur sec contenant du graphène, une couche d’un atome d’épaisseur composée d’atomes de carbone disposés selon un réseau hexagonal qui est 1 000 fois plus fin qu’un cheveu humain et 200 fois plus résistant que l’acier.

Le graphène est un matériau optimal pour la création de biocapteurs secs, en raison de sa finesse et de sa grande conductivité électrique. Il est également résistant à la corrosion et aux effets de la sueur, ce qui le rend parfait pour une utilisation sur la tête.

Les chercheurs ont constaté que la combinaison du graphène et du silicium produisait un capteur sec plus robuste. La couche de graphène sur les capteurs qu’ils ont mis au point a une épaisseur inférieure à un nanomètre.

« En utilisant un matériau de pointe, le graphène, combiné au silicium, nous avons pu surmonter les problèmes de corrosion, de durabilité et de résistance au contact avec la peau pour mettre au point des capteurs secs portables », a déclaré Francesca Iacopi, auteure correspondante de l’étude.

Les chercheurs ont expérimenté différents modèles de capteurs, notamment des carrés, des hexagones, des piliers et des points, et ont constaté que les capteurs à motifs hexagonaux produisaient l’impédance la plus faible sur la peau. Ils ont ensuite testé leur nouveau capteur à l’aide d’un IMC.

Les capteurs hexagonaux sont placés sur le cuir chevelu à l’arrière de la tête pour détecter les ondes cérébrales du cortex visuel et l’utilisateur porte une lentille de réalité augmentée (RA) affichant des carrés blancs. En se concentrant sur un carré particulier, l’utilisateur crée des ondes cérébrales qui sont captées par le biocapteur. Un décodeur traduit ensuite ce signal en une commande.

La visière de réalité augmentée portée par l’utilisateur, avec des capteurs en graphène fixés sur le cuir chevelu à l’arrière.

« Notre technologie peut émettre au moins neuf commandes en deux secondes », explique Chin-Teng Lin, coauteur de l’étude. « Cela signifie que nous disposons de neuf types de commandes différentes et que l’opérateur peut en sélectionner une parmi ces neuf dans ce laps de temps.

Les soldats de l’armée australienne ont effectué un test réel de l’IMC à capteur de graphène, en l’utilisant pour contrôler un chien robotisé à quatre pattes. Le dispositif a permis de commander le robot en mode mains libres, avec une précision de 94 %.

« La technologie mains libres et sans voix fonctionne en dehors des laboratoires, à tout moment et en tout lieu », a déclaré Francesca Iacopi. « Elle rend superflues les interfaces telles que les consoles, les claviers, les écrans tactiles et la reconnaissance du geste de la main.

Toutefois, les chercheurs ne considèrent pas qu’il s’agit de l’itération finale de leur conception. D’autres recherches et essais sont nécessaires pour trouver un équilibre entre la surface totale de graphène disponible, la capacité à s’adapter à la présence de cheveux et la capacité à maintenir le contact du capteur avec le cuir chevelu.

Mais il s’agit d’une étape prometteuse vers le développement d’une technologie qui pourrait être très utile aux personnes handicapées pour faire fonctionner un fauteuil roulant ou une prothèse, et qui pourrait avoir des applications plus larges dans les domaines de la fabrication de pointe, de la défense et de l’aérospatiale.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.2c05546

https://www.uts.edu.au/news/tech-design/mind-control-robots-reality