Le professeur adjoint Tan Yu Jun (à gauche) et le doctorant Zhou Jinrun (à droite) présentent leur peau électronique auto-réparatrice capable de détecter le toucher et les dommages, et de se réparer même sous l’eau.

Des chercheurs de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont développé une peau électronique sensible qui fonctionne sous l’eau, détecte les objets à proximité, perçoit le contact physique, reconnaît lorsqu’elle a été perforée ou coupée et se répare après avoir été endommagée.

Cette technologie, appelée système sensoriel magnétoélectrique auto-réparateur (SMES), est une « peau » élastomère et extensible qui combine la détection tactile et de proximité avec la détection intégrée des dommages et l’auto-réparation autonome, fonctionnant aussi bien sur terre que sous l’eau. Les chercheurs ont démontré les applications potentielles du SMES à travers deux prototypes : un gant de plongée intelligent permettant aux plongeurs de communiquer sans fil par gestes et un bras robotique sous-marin capable de saisir des objets.

En dehors de l’espace, l’un des environnements les plus hostiles pour les composants électroniques sensibles se trouve sous les vagues. Le froid y est omniprésent ; l’eau s’infiltre par de minuscules interstices et des circuits conducteurs ténus ; le sel accélère la corrosion ; et la pression hydrostatique augmente avec la profondeur. De plus, les capteurs de contact subissent de fortes contraintes physiques, car ils frottent contre les rochers, les coquillages, les organismes marins et les infrastructures immergées. Lorsqu’un composant est endommagé ou présente un dysfonctionnement, les réparations nécessitent généralement une remontée à la surface.

La peau SMES, décrite en détail dans la revue Advanced Materials , tente de résoudre chacun de ces problèmes, en s’inspirant de la peau biologique originelle. La peau humaine détecte le toucher, mais elle peut aussi nous alerter lorsqu’elle est endommagée et se réparer ensuite, bien que lentement.

La version électronique répartit ces fonctions entre plusieurs couches superposées. La couche supérieure, qui fait office de système d’alarme, détecte les dommages. Elle repose sur une couche magnétoélectrique distincte, responsable de la détection tactile et de proximité. Ces deux couches sont constituées d’un élastomère souple, extensible et auto-réparateur, contenant des conducteurs en métal liquide structurés. Le métal liquide assure la conduction électrique et se déforme avec le matériau caoutchouteux environnant, évitant ainsi toute rupture lorsque la peau se plie ou s’étire.

Illustration schématique d’un SMES multicouche, encapsulé dans un élastomère auto-cicatrisant (SHE: self-healing elastomer ), conçu pour l’électronique souple sous-marine.

Le système fonctionne par couches successives, en commençant par sa capacité à détecter les dommages. Lorsqu’un matériau (couche supérieure) est perforé, le circuit conducteur est interrompu, ce qui provoque une brusque augmentation de sa résistance électrique. Cette augmentation agit comme un signal électronique de douleur, informant le système qu’une blessure, et non un simple contact, s’est produite. Le fait de séparer physiquement cette couche de la couche de détection ordinaire permet au dispositif de distinguer un contact normal d’une véritable blessure.

« Dans notre corps, la douleur est un signal d’alarme protecteur. Elle nous indique qu’un problème survient afin que nous puissions réagir avant que les dégâts ne s’aggravent », explique Tan Yu Jun, professeur adjoint et responsable du projet. « Nos travaux confèrent cette même capacité à l’électronique sous-marine, permettant ainsi aux dispositifs de détecter les blessures et d’entamer une réparation autonome. »

Une fois endommagé, l’élastomère entame son processus de réparation. Ce mécanisme repose sur sa chimie. Son réseau moléculaire contient des interactions réversibles qui se rompent lorsque le matériau est endommagé et se reconnectent lorsque les surfaces déchirées sont remises en contact. Lors des tests, de petites perforations ont retrouvé leurs performances électriques initiales en quelques secondes sans intervention extérieure, tandis que des coupures plus importantes ont nécessité une brève pression des faces endommagées pour amorcer la réparation, après quoi le matériau a poursuivi son processus d’auto-réparation sur une période plus longue.

L’élastomère a retrouvé jusqu’à 92 % de son élasticité initiale. Sous l’effet d’un chauffage modéré, son efficacité de cicatrisation a atteint environ 82 % à l’air libre après sept jours et près de 100 % sous l’eau après dix jours. Fait remarquable, la cicatrisation s’est avérée plus complète sous l’eau, un milieu où de nombreux adhésifs et matériaux auto-cicatrisants peinent à adhérer, l’eau perturbant l’adhérence entre les surfaces exposées.

Sous la couche endommagée se trouve le système qui permet de percevoir l’environnement. Dans la couche inférieure, un petit aimant est placé à côté d’une bobine constituée de fil de métal liquide. La pression exercée sur la surface, ou tout mouvement à proximité du capteur, déplace l’aimant par rapport à la bobine. La variation du champ magnétique induit une tension dans le conducteur, selon le même principe d’induction électromagnétique que celui utilisé dans les générateurs électriques.

En mode tactile, la pression exercée par le contact déplace l’aimant. Pour la détection de proximité, le mouvement relatif entre l’aimant et la bobine génère un signal avant tout contact physique. Ce dernier point pourrait s’avérer particulièrement utile pour les pinces robotiques souples. Au lieu de se fermer aveuglément jusqu’à la collision avec un objet, elles pourraient détecter son approche et adapter leur mouvement avant tout contact.

Lors des tests, le capteur a réagi en environ 41 millisecondes et a continué à produire des signaux stables après 10 000 cycles de fonctionnement. Ses performances de détection de proximité sont également restées constantes après 10 jours d’immersion, y compris lors de tests en eau de mer simulée. Ces résultats attestent de sa durabilité en laboratoire, même s’ils ne démontrent pas encore son fonctionnement à long terme dans les conditions extrêmes des grands fonds. Rappelons que la couche de détection des dommages et la couche sensible sont toutes deux constituées du même matériau auto-réparateur.

Puisque le mouvement génère le signal, l’élément de détection n’a pas besoin d’alimentation externe pour enregistrer le contact ou la proximité ; d’où l’appellation « détection auto-alimentée ». Cependant, les autres composants électroniques du système nécessitent toujours une alimentation. La détection auto-alimentée élimine la nécessité d’alimenter en permanence le capteur tactile.

Pour démontrer les possibilités offertes par cette technologie en dehors d’un banc d’essai de matériaux, les chercheurs ont intégré la peau dans un gant de plongée intelligent. Des capteurs fixés au bout des doigts généraient différentes variations de tension selon les gestes effectués par l’utilisateur. L’électronique du gant transmettait ensuite le message correspondant par Bluetooth à un smartphone.

L’équipe a programmé cinq gestes représentant « Normal », « Remontée », « Descendue », « Maintien » et « Aide » (“Normal,” “Going up,” “Going down,” “Holding,” and “Help.”) . Ce système pourrait permettre aux plongeurs de communiquer facilement des informations sur leur état sans avoir à parler, écrire ou recourir à des mimes sous-marines frénétiques. Des LED rouges sur le gant s’allumaient également lorsque la couche de détection des dommages signalait une blessure grave.

Tensions de sortie du SMES monté sur le doigt correspondant à différents gestes de la main

Le second prototype était une main robotisée conçue pour la préhension et le transport d’objets sous-marins. Son revêtement en SMES lui permettait de saisir et de transporter des objets tout en surveillant les perforations causées par des coquillages pointus. Trois LED servaient d’indicateur d’état : le vert signalait un fonctionnement normal, le jaune indiquait des dommages mineurs pouvant être rapidement réparés automatiquement, et le rouge signalait des dommages structurels importants nécessitant une intervention.

Grâce à des développements ultérieurs, ce matériau pourrait conférer aux robots sous-marins un sens du toucher bien plus performant. Au-delà des gants et des pinces robotiques, les chercheurs envisagent l’intégration de cette technologie dans les robots souples, les prothèses, les dispositifs portables et autres interfaces homme-machine. Un robot d’inspection sous-marine, par exemple, pourrait se déplacer le long d’un pipeline, détecter les obstacles environnants, reconnaître la perforation de sa surface externe et potentiellement réparer le capteur endommagé sans avoir à être immédiatement remonté à la surface.

Pour l’instant, cette technologie n’en est qu’au stade de prototype. Les tests démontrent les mécanismes de détection et de cicatrisation sous-jacents, et non une peau prête à adhérer pendant des années à un robot sous-marin. Les coupures importantes nécessitent encore de rapprocher les surfaces, et la cicatrisation complète peut prendre plusieurs jours. Les systèmes destinés à un usage réel devront également être équipés de toute leur électronique pour résister à ce même environnement.

https://cde.nus.edu.sg/news/electronic-skin-that-senses-and-self-heals-under-water