Une équipe développe un matériau synthétique intelligent inspiré de la peau de la pieuvre.

Malgré l'omniprésence des matériaux synthétiques dans divers secteurs industriels et domaines scientifiques, la plupart sont conçus pour des fonctions limitées. Afin de pallier ce manque de flexibilité, des chercheurs de Penn State, sous la direction de Hongtao Sun , professeur adjoint de génie industriel et de production (GIP) à l'Université de PennState aux Etats-Unis, ont mis au point une méthode de fabrication permettant d'imprimer une « peau synthétique intelligente » multifonctionnelle : des matériaux configurables capables de chiffrer ou de déchiffrer des informations, de permettre un camouflage adaptatif, d'alimenter des robots souples, et bien plus encore. 

Grâce à leur approche novatrice, l'équipe a créé une peau intelligente programmable à partir d'hydrogel, un matériau gélatineux riche en eau. Comparée aux matériaux synthétiques traditionnels aux propriétés fixes, cette peau intelligente offre une multifonctionnalité accrue, permettant aux chercheurs d'ajuster dynamiquement l'apparence optique, la réponse mécanique, la texture de surface et la déformation du gel sous l'effet de stimuli externes tels que la chaleur, les solvants ou les contraintes mécaniques.  

L'équipe a détaillé ses travaux dans un article publié dans Nature Communications . Cet article a également été mis en avant dans la rubrique « À la une » de la rédaction . 

Selon Sun, chercheur principal du projet, l'idée de ce matériau a été inspirée par la biologie naturelle des céphalopodes, comme la pieuvre, qui peuvent contrôler l'apparence de leur peau pour se camoufler des prédateurs ou communiquer entre eux. 

« Les céphalopodes utilisent un système complexe de muscles et de nerfs pour contrôler de manière dynamique l'apparence et la texture de leur peau », explique Sun. « Inspirés par ces organismes à la peau souple, nous avons développé un système d'impression 4D pour reproduire ce concept dans un matériau synthétique et souple. » 

Sun, également affiliée à des départements de génie biomédical, de science et génie des matériaux et à l'Institut de recherche sur les matériaux de Penn State, a qualifié la méthode de son équipe d'impression 4D, car elle produit des objets 3D capables de s'adapter aux variations de leur environnement.

L'équipe a utilisé une technique appelée impression par codage en demi-teintes – qui traduit des données d'image ou de texture sur une surface sous forme de 0 et de 1 binaires – pour encoder directement des informations numériques dans le matériau, à la manière des trames de points utilisées dans les journaux ou les photographies. Cette technique permet à l'équipe de programmer sa peau intelligente pour qu'elle modifie son apparence ou sa texture en fonction des stimuli. 

Ces motifs déterminent la façon dont les différentes parties du matériau réagissent à leur environnement ; certaines zones se dégonflent ou se ramollissent davantage que d’autres lorsqu’elles sont exposées à des variations de température, à des liquides ou à des contraintes mécaniques. En concevant soigneusement ces motifs, l’équipe peut définir le comportement global du matériau. 

« En clair, nous imprimons des instructions directement dans le matériau », a expliqué Sun. « Ces instructions indiquent à la peau comment réagir lorsque son environnement change. » 

Selon Haoqing Yang, doctorant en imagerie par résonance magnétique (IRM) et premier auteur de l'article, l'une des démonstrations les plus frappantes de la peau intelligente réside dans sa capacité à masquer et à révéler des informations. Pour illustrer cette caractéristique, l'équipe a encodé une photo de la Joconde sur la peau intelligente. Après lavage à l'éthanol, le film est devenu transparent, ne laissant apparaître aucune image. En revanche, la Joconde est devenue parfaitement visible après immersion dans de l'eau glacée ou lors d'un chauffage progressif.  

Cette vidéo en accéléré illustre la capacité du matériau à moduler ses propriétés optiques et mécaniques sous l'effet de stimuli externes, révélant ainsi de manière dynamique des informations encodées.  Crédit : Hongtao Sun.

Bien que la Joconde ait été utilisée à titre de démonstration, Yang a expliqué que la méthode d'impression de l'équipe leur permet d'encoder n'importe quelle image souhaitée sur l'hydrogel. 

« Ce comportement pourrait être utilisé pour le camouflage, où une surface se fond dans son environnement, ou pour le cryptage d'informations, où les messages sont cachés et ne sont révélés que dans des conditions spécifiques », a déclaré Yang. 

L'équipe a également démontré qu'il est possible de révéler des motifs cachés en étirant légèrement le matériau et en mesurant sa déformation grâce à une analyse de corrélation d'images numériques. Ainsi, l'information peut être divulguée non seulement visuellement, mais aussi par déformation mécanique, ce qui renforce la sécurité. 

Le matériau s'est révélé extrêmement malléable : selon Sun, cette peau intelligente peut facilement se transformer d'une feuille plate en formes non traditionnelles, bio-inspirées, aux textures complexes. Contrairement à de nombreux autres matériaux à géométrie variable, cet effet ne nécessite ni plusieurs couches ni matériaux différents. Ces formes et surfaces texturées, semblables à celles de la peau des céphalopodes, sont obtenues grâce au motif en demi-teintes imprimé numériquement sur une seule feuille. 

S’appuyant sur ces capacités de transformation de forme, les chercheurs ont démontré que la peau intelligente peut combiner plusieurs fonctions simultanément. En concevant minutieusement les motifs de demi-teintes, l’équipe a pu encoder l’image de la Joconde directement sur des films plats qui ont ensuite émergé lorsque le matériau s’est transformé en formes 3D. À mesure que les feuilles plates se courbaient pour former des structures en forme de dôme, les informations de l’image cachée sont devenues progressivement visibles, démontrant ainsi comment les changements de forme et d’apparence peuvent être programmés conjointement.  

« De la même manière que les céphalopodes coordonnent la forme de leur corps et les motifs de leur peau, cette peau intelligente synthétique peut contrôler simultanément son apparence et sa déformation, le tout au sein d'un seul matériau souple », a déclaré Sun. 

Selon Sun, ces travaux s'appuient sur des recherches antérieures concernant l'impression 4D d'hydrogels intelligents, également publiées dans Nature Communications . Dans cette étude, l'équipe s'était concentrée sur la conception conjointe des propriétés mécaniques et la morphologie programmable 2D-3D. Dans les travaux actuels, l'équipe a développé une méthode d'impression 4D à codage par demi-teintes afin de concevoir conjointement davantage de fonctions au sein d'un seul film d'hydrogel intelligent.  

Pour l'avenir, l'équipe prévoit de développer une plateforme générale et évolutive permettant un encodage numérique précis de multiples fonctions dans un seul système de matériau intelligent et adaptatif. 

« Ces recherches interdisciplinaires, à la croisée de la fabrication avancée, des matériaux intelligents et de la mécanique, ouvrent de nouvelles perspectives aux implications considérables pour les systèmes réactifs aux stimuli, l'ingénierie biomimétique, les technologies de cryptage avancées, les dispositifs biomédicaux et bien plus encore », a déclaré Sun. 

Parmi les autres coauteurs affiliés à Penn State figurent Haotian Li et Juchen Zhang, doctorants en génie mécanique et environnemental, ainsi que  Tengxiao Liu , maître de conférences en génie biomédical. H. Jerry Qi, professeur de génie mécanique au Georgia Institute of Technology, a également collaboré à ces travaux. 

https://www.psu.edu/news/research/story/team-develops-smart-synthetic-material-inspired-octopus-skin