Un capteur extensible et auto-réparateur survit même s'il est coupé en deux
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Images originales : Rathul Nengminza Sangma, Seppe Terryn et al.
Les capteurs extensibles sont utiles pour de nombreuses applications, notamment la surveillance de la santé humaine et l'émulation de muscles artificiels dans des robots souples . Leur principal problème est leur faible durée de vie, car ils se tordent, s'étirent et se déforment.
Une équipe de chercheurs belges a créé un capteur extrêmement durable et extensible , doté de remarquables capacités d'auto-réparation. Il peut même se réparer lui-même après avoir été coupé en deux, tout en conservant des performances quasi parfaites. Les résultats sont décrits dans une étude publiée le 16 juillet dans l'IEEE Sensors Journal .
L'auteur principal, Rathul Sangma , doctorant à la Vrije Universiteit Brussel et affilié à l'Imec , explique que son équipe a été motivée par le développement d'un capteur fiable et extensible pour la surveillance de la santé, la rééducation et le suivi des mouvements, car « ces systèmes subissent souvent des contraintes répétées ou des dommages accidentels. Les capteurs extensibles existants peuvent tomber en panne dans de telles conditions, ce qui entraîne un manque de fiabilité et un gaspillage. »
Capteurs polymères auto-réparateurs pour appareils portables
Pour créer leur capteur durable, Sangma et ses collègues ont décidé d'utiliser un polymère doté d'un mécanisme de liaison chimique appelé réticulation de Diels-Alder. Ces liaisons chimiques sont réversibles, ce qui signifie qu'elles peuvent se rompre en cas de dommage et se reformer au contact. « Lorsque le matériau est coupé, les liaisons rompues deviennent réactives et, une fois correctement réalignées, elles se reconnectent, restaurant la structure originale du polymère », explique Sangma.
Lors d'expériences, les chercheurs ont montré que le polymère pouvait être coupé en deux et s'autoréparer à température ambiante en environ 24 heures. Ce processus a pu être accéléré jusqu'à seulement 4 heures lorsque le capteur était placé dans un four à 60 °C.
Même après avoir été étiré jusqu'à la rupture puis réparé six fois, le capteur fonctionnait à 80 % de sa capacité.
Les objets connectés pourraient bénéficier de capteurs extensibles capables de retrouver leur fonctionnalité même après avoir subi des dommages importants.
Le polymère contient un métal liquide appelé galinstan , qui agit comme conducteur. On pourrait s'attendre à ce que le métal liquide se répande lorsque le polymère est gravement endommagé, mais les chercheurs ont constaté que la perte de galinstan était minime. Ils soupçonnent que le métal liquide s'oxyde au contact de l'air, et que l'oxyde qui en résulte crée une fine barrière protectrice qui empêche le liquide de s'échapper. Cette barrière d'oxyde se rompt une fois les deux pièces du capteur reconnectées mécaniquement.
« Ce mécanisme est remarquablement analogue à la façon dont les veines humaines forment un caillot après une rupture pour prévenir une nouvelle perte de sang », explique Sangma. « Ici, l'oxyde agit comme un joint temporaire qui préserve l'intégrité du système jusqu'à la guérison complète. »
Lors d'une série de tests, les chercheurs ont étudié la dérive observée entre des capteurs intacts et endommagés, c'est-à-dire la variation progressive du signal d'un capteur sur une longue période d'étirements et de relâchements continus. Les résultats montrent qu'un capteur intact soumis à des étirements répétés pendant 800 cycles a dérivé de moins de 5 %, tandis qu'un capteur coupé en deux et étiré le même nombre de fois a dérivé de moins de 10 %.
« Cette double guérison, à la fois structurelle et fonctionnelle électrique, est ce qui fait que notre conception se démarque », explique Sangma.
Les tests montrent également que les matériaux peuvent être recyclés avec une grande efficacité une fois l'appareil arrivé en fin de vie. « Plus de 95 % du matériau du capteur peut être récupéré et retraité, une étape importante vers des objets connectés respectueux de l'environnement », explique Sangma.
L'équipe de recherche explore activement les possibilités de commercialisation de son capteur, en vue de l'utiliser pour la rééducation médicale, le suivi des performances sportives et les systèmes robotiques souples. Elle a créé une société dérivée, Valence Technologies , pour commercialiser les matériaux.
À l’avenir, les chercheurs cherchent à adapter le capteur afin qu’il puisse suivre les mouvements du corps entier, et ils aimeraient effectuer des tests de durabilité à long terme dans des environnements réels, par exemple pour voir comment le capteur fonctionne lorsqu’il est exposé à la sueur.