Pas besoin de batterie : la peau du robot récupère de l’énergie en marchant.
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L’alimentation des microrobots constitue depuis longtemps un défi pour le génie chimique. Un microrobot de 1,7 g ne peut se déplacer que pendant environ deux minutes avec des batteries commerciales. Pour fonctionner pendant deux heures, il lui faudrait une batterie représentant 94 % de sa masse totale, avec une densité énergétique de 5 382 Wh kg⁻¹ bien supérieure à celle des batteries lithium-ion actuelles. En dessous de 1 cm³ ou1 g, la densité énergétique des microbatteries diminue encore plus rapidement, car le conditionnement et les matériaux conducteurs occupent une part croissante de leur masse.
Du transport de batteries à la marche sur énergie
Une équipe dirigée par Yue Gao du département de sciences macromoléculaires de l’université Fudan a exploré une approche différente. Au lieu de concevoir des batteries plus petites et plus denses, les chercheurs se sont demandé si le robot pouvait récupérer de l’énergie directement sur la surface sur laquelle il se déplace. Des matériaux actifs tels que l’aluminium, le zinc, le silicium, l’étain et le plomb sont couramment utilisés dans les canalisations, les bâtiments, les centres de données et les équipements. Si le pied du robot pouvait déclencher une réaction chimique au contact de la surface, son autonomie ne serait plus limitée par la capacité de stockage embarquée.
La solution proposée par l’équipe est un système d’alimentation électrochimique ouvert : une membrane de polyacrylate de potassium réticulé fixée au pied du microrobot. Ce système convertit l’énergie chimique du substrat, ainsi que l’humidité et l’oxygène atmosphériques, en électricité.
Une peau qui alimente, adhère et perçoit
La membrane est fabriquée en une seule étape par polymérisation d’un monomère d’acide acrylique, d’un agent de réticulation, d’un initiateur et d’hydroxyde de potassium directement sur le pied du robot. Un film flexible de platine/carbone sert de site de réaction pour l’oxygène et l’eau. L’épaisseur de la membrane peut atteindre 135 micromètres et sa surface 1 millimètre carré. Sur zinc, elle délivre une densité de puissance de 133 mW cm⁻² ; sur aluminium, 103 mW cm⁻² . Ces valeurs sont environ dix fois supérieures à celles des microbatteries classiques. Le système conserve également ses performances lorsqu’il est réduit à une taille de 0,0004 cm³ . Sa conception doit satisfaire simultanément plusieurs exigences contradictoires : elle doit être étanche à l’eau, flexible, adhérer aux surfaces, se détacher facilement et détecter le sol.
Contenir l’eau et résister aux températures extrêmes
Les groupes carboxylates, les ions potassium et les ions hydroxyde de la membrane interagissent fortement avec les molécules d’eau. Même à 20 % d’humidité relative, conditions similaires à celles du Sahara, elle conserve la majeure partie de son eau et continue de se décharger après 48 heures. À −20 °C, les ions potassium perturbent le réseau ordonné de liaisons hydrogène de l’eau, maintenant ainsi la conductivité ionique de la membrane. La tension ne chute que d’environ 0,2 V par rapport à la température ambiante. La structure réticulée permet également un fonctionnement à 80 °C. Après évaporation de l’eau, un ajout d’eau rétablit les performances.
Alimentation au contact, coupure au décollage
La membrane génère de l’électricité au contact d’un substrat actif et cesse de le faire lorsque le pied se soulève. Le substrat perd alors des électrons. Du côté platine/carbone, l’oxygène et l’eau captent des électrons pour produire des ions hydroxyde. La réaction débute en environ 0,1 milliseconde et s’arrête à la fin du contact. Chaque pas régénère l’interface de réaction. Les produits de la décharge restent sur le substrat au lieu de s’accumuler sur la membrane, évitant ainsi la dégradation des performances observée dans les batteries statiques.
Collant dans la bonne direction
La membrane combine une forte adhérence au cisaillement et un détachement normal aisé. Les groupements carboxylates créent une adhésion électrostatique aux substrats métalliques. Dans le sens de la marche, l’adhérence est suffisamment forte pour empêcher tout glissement. Dans le sens vertical, la résistance au détachement est faible, ce qui permet au robot de lever efficacement sa patte. Ceci permet au microrobot de se déplacer sur des surfaces inclinées en aluminium.
Détection du sol par les ions
La membrane peut également détecter la surface sous-jacente. Différents matériaux induisent des vitesses de réaction électrochimique et une consommation d’ions hydroxyde différentes, entraînant une migration dirigée des ions potassium et un signal de potentiel caractéristique. Les surfaces rugueuses déforment la membrane et modifient la distribution des ions, produisant un autre signal. Les changements de matériau génèrent des signaux carrés stables, tandis que les variations de rugosité produisent des pics de l’ordre du millivolt. Ces deux signaux peuvent être naturellement découplés. Grâce à un réseau d’électrodes XY, la membrane peut également localiser les points de contact. Ceci permet au robot de reconnaître son environnement et de rechercher activement des chemins riches en énergie.