Une lentille flexible contrôlée par des muscles artificiels activés par la lumière promet de permettre aux machines souples de voir.
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S’inspirant de l’œil humain, le laboratoire d’ingénierie biomédicale de Georgia Tech a conçu une lentille adaptative fabriquée à partir de matériaux souples, sensibles à la lumière et semblables à des tissus.
Les systèmes de caméra réglables nécessitent généralement un ensemble de lentilles rigides, mobiles et volumineuses, ainsi qu'une pupille située devant le capteur pour ajuster la mise au point et l'intensité. À l'inverse, l'œil humain accomplit ces mêmes fonctions grâce à des tissus souples et flexibles, le tout dans un format très compact.
Leur lentille, appelée lentille souple hydrogel photo-réactive (PHySL: photo-responsive hydrogel soft lens), remplace les composants rigides par des polymères souples agissant comme des muscles artificiels. Ces polymères sont composés d'un hydrogel , un matériau polymère à base d'eau. Ce « muscle » d'hydrogel modifie la forme de la lentille souple pour en ajuster la distance focale, un mécanisme analogue à celui des muscles ciliaires de l'œil humain.
Le matériau hydrogel se contracte sous l'effet de la lumière, ce qui permet de contrôler la lentille sans la toucher en projetant de la lumière sur sa surface. Cette propriété nous permet également de contrôler précisément la forme de la lentille en illuminant sélectivement différentes parties de l'hydrogel. En éliminant les éléments optiques et les structures rigides, le système est flexible et adaptable, ce qui le rend plus durable et plus sûr au contact du corps.
Pourquoi c'est important
La vision artificielle par caméra est courante dans de nombreux systèmes technologiques, notamment les robots et les dispositifs médicaux. Les systèmes optiques nécessaires à la formation d'un système visuel sont encore généralement limités à des matériaux rigides alimentés par l'électricité. Cette limitation représente un défi pour les domaines émergents, tels que la robotique souple et les outils biomédicaux qui intègrent des matériaux souples dans des systèmes flexibles, à faible consommation et autonomes. Notre lentille souple est particulièrement adaptée à cette application.
Les robots souples sont des machines fabriquées à partir de matériaux et de structures flexibles, inspirées du monde animal. Cette flexibilité accrue les rend plus résistants et adaptables. Les chercheurs utilisent cette technologie pour développer des endoscopes chirurgicaux , des pinces pour la manipulation d'objets fragiles et des robots capables d'évoluer dans des environnements difficiles pour les robots rigides.
Les mêmes principes s'appliquent aux outils biomédicaux. Les matériaux imitant les tissus peuvent adoucir l'interface entre le corps et la machine, rendant ainsi les outils biomédicaux plus sûrs en leur permettant de suivre les mouvements du corps. Parmi ces matériaux figurent les capteurs portables ressemblant à la peau et les implants recouverts d'hydrogel .
Cette lentille souple à focale variable, ici utilisée pour observer un Rubik's Cube, peut se plier et se tordre sans s'abîmer. Corey Zheng/Institut de technologie de Géorgie
Quelles autres recherches sont menées dans ce domaine ?
Ce travail fusionne des concepts issus de l'optique réglable et des matériaux souples « intelligents » . Bien que ces matériaux soient souvent utilisés pour créer des actionneurs souples – des pièces de machines mobiles – comme des pinces ou des propulseurs , leur application dans les systèmes optiques s'est heurtée à des difficultés.
De nombreux modèles de lentilles souples existants utilisent des poches remplies de liquide ou des actionneurs électroniques . Ces composants peuvent complexifier leur utilisation ou la limiter dans les systèmes délicats ou autonomes. Notre modèle activé par la lumière offre une alternative plus simple et sans électronique.
Et ensuite ?
L’objectif est d'améliorer les performances du système grâce aux progrès réalisés dans le domaine des hydrogels. De nouvelles recherches ont permis de développer plusieurs types d'hydrogels sensibles aux stimuli, dotés de capacités de contraction plus rapides et plus puissantes. Les chercheurs souhaitent intégrer ces dernières avancées en matière de matériaux afin d'améliorer les propriétés physiques de la lentille souple en hydrogel photosensible.
Ils veulent également démontrer son application pratique dans de nouveaux types de systèmes de caméras. Dans le cadre de leurs travaux actuels, ils ont développé un prototype de caméra sans électronique, utilisant notre lentille souple et une puce microfluidique photoactivée conçue sur mesure. Ils prévoient d'intégrer ce système à un robot souple afin de lui conférer une vision sans électronique. Ce système constituerait une démonstration significative du potentiel de notre conception pour permettre de nouveaux types de détection visuelle souple.