Des ingénieurs développent un muscle auto-réparateur pour les robots

Une équipe d’ingénieurs de l’Université du Nebraska-Lincoln se rapproche encore davantage du développement de robotique souple et de systèmes portables qui imitent la capacité de la peau humaine et végétale à détecter et à auto-guérir les blessures.

L'ingénieur Husker Eric Markvicka, ainsi que les étudiants diplômés Ethan Krings et Patrick McManigal, ont récemment présenté un article lors de la prestigieuse conférence internationale IEEE sur la robotique et l'automatisation à Atlanta, en Géorgie, qui présente une approche au niveau des systèmes pour une technologie de robotique douce capable d'identifier les dommages causés par une perforation ou une pression extrême, de localiser son emplacement et de lancer de manière autonome l'auto-réparation. 

L'article figurait parmi les 39 finalistes du prix du meilleur article de l'ICRA 2025 sur les 1 606 soumissions. Il était également finaliste pour le prix du meilleur article étudiant et dans la catégorie « mécanisme et conception ». 

La stratégie de l’équipe pourrait aider à surmonter un problème de longue date dans le développement de systèmes de robotique souple qui importent des principes de conception inspirés de la nature. 

« Dans notre communauté, on observe une forte tendance à reproduire les systèmes rigides traditionnels à l'aide de matériaux souples, ainsi qu'un mouvement important vers le biomimétisme », ont déclaré Markvicka, professeur adjoint de génie biomédical Robert F. et Myrna L. Krohn. « Bien que nous ayons réussi à créer des composants électroniques et des actionneurs extensibles, souples et conformes, ils ne reproduisent souvent pas la biologie dans leur capacité à réagir aux dommages et à s'auto-réparer. »

Eric Markvicka | Génie mécanique et des matériaux et Joel Brehm | Recherche et innovation

L'architecture multicouche du muscle artificiel intelligent et auto-réparateur développé par l'équipe. La couche supérieure est la couche d'actionnement, pressurisée avec de l'eau pour déclencher le mouvement du muscle. La couche intermédiaire est un élastomère thermoplastique rigide et auto-réparateur. La couche inférieure, appelée « peau », détecte les dommages grâce aux réseaux formés entre les traces de surveillance représentées en gris. Cette couche est composée de microgouttelettes de métal liquide noyées dans un élastomère de silicone.

Pour combler cette lacune, son équipe a développé un muscle artificiel intelligent et auto-réparateur doté d’une architecture multicouche qui permet au système d’identifier et de localiser les dommages, puis de lancer un mécanisme d’auto-réparation, le tout sans intervention externe. 

« Le corps humain et animal est incroyable. On peut se couper, se faire des bleus et subir des blessures assez graves. Et dans la plupart des cas, avec des applications externes très limitées de bandages et de médicaments, on parvient à guérir beaucoup de choses soi-même », a déclaré Markvicka. « Si nous pouvions reproduire cela dans des systèmes synthétiques, cela transformerait radicalement le domaine et notre façon de concevoir l'électronique et les machines. »

Le « muscle » de l'équipe – ou actionneur, la partie d'un robot qui convertit l'énergie en mouvement physique – est composé de trois couches. La couche inférieure, la couche de détection des dommages, est une peau électronique souple composée de microgouttelettes de métal liquide noyées dans un élastomère de silicone. Cette peau adhère à la couche intermédiaire, le composant auto-réparateur, en élastomère thermoplastique rigide. La couche supérieure est la couche d'actionnement, qui déclenche le mouvement du muscle lorsqu'elle est mise sous pression d'eau.

Pour démarrer le processus, l'équipe induit cinq courants de surveillance sur la « peau » inférieure du muscle, connectée à un microcontrôleur et à un circuit de détection. Toute perforation ou pression sur cette couche déclenche la formation d'un réseau électrique entre les traces. Le système reconnaît cette empreinte électrique comme une preuve de dommage et augmente alors le courant traversant le réseau électrique nouvellement formé.

Cela permet à ce réseau de fonctionner comme un réchauffeur Joule local, convertissant l'énergie du courant électrique en chaleur autour des zones endommagées. Après quelques minutes, cette chaleur fait fondre et régénère la couche thermoplastique intermédiaire, qui scelle la lésion, auto-cicatrisant ainsi la plaie.

La dernière étape consiste à réinitialiser le système à son état initial en effaçant l'empreinte électrique des dommages de la couche inférieure. Pour ce faire, l'équipe de Markvicka exploite les effets de l'électromigration, un processus par lequel un courant électrique provoque la migration des atomes métalliques. Ce phénomène est traditionnellement considéré comme un obstacle dans les circuits métalliques, car les atomes en mouvement se déforment et créent des espaces dans les matériaux du circuit, entraînant des pannes et des ruptures.

Dans une innovation majeure, les chercheurs utilisent l'électromigration pour résoudre un problème qui a longtemps entravé leurs efforts pour créer un système autonome et auto-réparateur : la permanence apparente des réseaux électriques endommagés dans la couche inférieure. Sans la possibilité de réinitialiser les traces de surveillance de base, le système ne peut effectuer plus d'un cycle de dommages et de réparation.

Eric Markvicka | Génie mécanique et des matériaux et Joel Brehm | Recherche et innovation

Les chercheurs ont réalisé que l'électromigration, avec sa capacité à séparer physiquement les ions métalliques et à provoquer une défaillance en circuit ouvert, pourrait être la clé pour effacer les traces nouvellement formées. La stratégie a fonctionné : en augmentant encore le courant, l'équipe peut induire des mécanismes d'électromigration et de défaillance thermique qui réinitialisent le réseau de détection des dommages.

« L'électromigration est généralement perçue comme un inconvénient majeur », a déclaré Markvicka. « C'est l'un des obstacles qui ont freiné la miniaturisation de l'électronique. Nous l'utilisons ici de manière unique et vraiment positive. Au lieu de chercher à l'empêcher, nous l'exploitons, pour la première fois, pour effacer des traces que nous pensions permanentes. »

La technologie d'auto-réparation autonome a le potentiel de révolutionner de nombreux secteurs. Dans les États agricoles comme le Nebraska, elle pourrait être une aubaine pour les systèmes robotiques fréquemment en contact avec des objets tranchants comme des brindilles, des épines, du plastique et du verre. Elle pourrait également révolutionner les dispositifs portables de surveillance de la santé, qui doivent résister à l'usure quotidienne. 

Cette technologie bénéficierait également à la société dans son ensemble. La plupart des appareils électroniques grand public ont une durée de vie d'un ou deux ans seulement, contribuant à la production de milliards de kilos de déchets électroniques chaque année. Ces déchets contiennent des toxines comme le plomb et le mercure, qui menacent la santé humaine et environnementale. Une technologie d'auto-réparation pourrait contribuer à endiguer ce phénomène.

« Si nous pouvons commencer à créer des matériaux capables de détecter de manière passable et autonome les dommages qui se sont produits, puis d’initier ces mécanismes d’auto-réparation, ce serait vraiment transformateur », précise Markvicka.

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation, le programme établi par la NASA au Nebraska pour stimuler la recherche compétitive et le Nebraska Tobacco Settlement Biomedical Research Development Fund.

Par Tiffany Lee | Recherche et innovation

https://news.unl.edu/article/husker-engineers-advance-work-on-intelligent-self-healing-technology