Une nouvelle technologie d'impression 3D s'apprête à doter les robots de muscles semblables à ceux des humains.

Points clés à retenir - Des chercheurs de Harvard ont mis au point une méthode d'impression 3D qui place côte à côte des élastomères à cristaux liquides « actifs » et des élastomères « passifs » dans des filaments, préprogrammant ainsi les filaments pour qu'ils se plient, se tordent, se dilatent ou se contractent de manière spécifique lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis. - Ils ont démontré des fonctions robotiques souples telles que des filtres et des pinces à température contrôlée, ouvrant la voie à de futures applications.

La nature regorge de filaments fins qui se courbent et s'enroulent – ​​des vignes grimpantes aux protéines repliées, en passant par les trompes d'éléphants capables de ramasser une cacahuète mais aussi d'abattre un arbre. Des scientifiques de Harvard, cherchant à doter des matériaux synthétiques d'un contrôle physique inspiré de la nature, ont mis au point une technique d'impression 3D transformant des filaments souples, semblables à des cheveux, en « muscles artificiels » programmables. Ces muscles peuvent se plier, se tordre, se dilater ou se contracter sous l'effet de la chaleur ou du froid. Il s'agit d'une avancée majeure vers la reproduction de la complexité des muscles biologiques, composés de faisceaux de fibres qui agissent de concert pour produire des mouvements complexes. 

Cette percée provient du laboratoire de  Jennifer Lewis , professeure Hansjorg Wyss d'ingénierie bio-inspirée à l'école d'ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson (SEAS), et est décrite dans  les Actes de l'Académie nationale des sciences par le premier auteur et chercheur postdoctoral Mustafa Abdelrahman et ses collègues. 

Impression 3D multi-matériaux rotationnelle

Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé une technique mise au point au laboratoire Lewis, appelée impression 3D multimatière rotationnelle, pour imprimer des filaments uniques composés d'éléments dont la forme se modifie et d'autres qui restent inchangés ; ils les nomment matériaux actifs et passifs. Leur matériau actif est un élastomère à cristaux liquides, un polymère particulier qui suscite un vif intérêt dans la recherche en tant que candidat pour les muscles artificiels, car il se contracte dans une direction privilégiée lorsqu'il est chauffé au-dessus d'une température de transition. 

Leur matériau passif est un élastomère souple qui conserve sa forme malgré les variations de température et dont la rigidité sert de guide pour les mouvements mécaniques. En extrudant les deux matériaux côte à côte à travers une buse rotative, les chercheurs peuvent positionner les zones actives et passives avec précision sur toute la section transversale du filament. 

Comme l'élastomère à cristaux liquides actif se rétracte selon son axe moléculaire interne lorsqu'il est chauffé, contrairement au matériau passif, même un simple filament bicouche se courbe : un côté se raccourcit tandis que l'autre résiste. La rotation de la buse pendant l'impression « inscrit » en quelque sorte une structure hélicoïdale des molécules actives dans le filament.

Le résultat est un filament dont la courbure et la torsion naturelles, une fois activées, sont préprogrammées lors de l'impression ; aucun assemblage de plusieurs couches ni post-traitement mécanique n'est nécessaire. 

La vitesse de rotation pendant l'impression a un impact important sur la façon dont les filaments individuels se transforment sous l'effet de la chaleur.

Avant de rejoindre le laboratoire Lewis, Abdelrahman avait créé des feuilles d'élastomères à cristaux liquides en utilisant des méthodes plus complexes pour déterminer leurs propriétés et cherchait à explorer des procédés plus personnalisables. « J'ai vu cette magnifique plateforme d'impression 3D rotative et je me suis dit : "Et si on y intégrait des matériaux actifs et qu'on les structurait dans le filament ? Pourrions-nous ainsi contrôler la forme ?" » 

Pour valider et prédire le comportement des matériaux, l'équipe a travaillé en étroite collaboration avec le professeur L. Mahadevan, dont le groupe est spécialisé dans la mécanique des structures naturelles, et le professeur Joanna Aizenberg, dont le laboratoire a aidé à caractériser l'alignement moléculaire des élastomères à cristaux liquides à l'aide de mesures de diffusion des rayons X effectuées au Brookhaven National Laboratory.

Démonstrations de structures complexes

Une fois que les chercheurs ont pu programmer de manière prouvée le changement de forme d'un seul filament, ils ont utilisé ces filaments comme éléments de base pour des structures architecturales plus complexes.

Ils ont imprimé des filaments sinusoïdaux — des brins ondulés d'apparence identique au départ, mais dont la déformation varie considérablement selon l'emplacement de l'élastomère à cristaux liquides actif. Lorsque cet élastomère est imprimé à l'extérieur de la courbure de l'onde, la chaleur provoque le redressement et l'expansion du filament. En revanche, lorsqu'il est placé à l'intérieur, la même stimulation thermique entraîne sa contraction.

En tissant ces cellules unitaires en réseaux plans, l'équipe a démontré le potentiel des filtres actifs : des réseaux qui, chauffés, s'ouvrent pour laisser passer des particules sphériques et qui, refroidis, se contractent pour les piéger ou les maintenir. Ils ont également conçu une sorte de pince de préhension : des réseaux autoportants qui peuvent être abaissés sur plusieurs tiges, chauffés pour les saisir et les soulever, puis refroidis pour les libérer. 

Dans une expérience, un réseau imprimé avec des régions alternant expansion et contraction s'est transformé en une forme de dôme lorsqu'il a été chauffé dans un bain d'huile, correspondant étroitement à la forme prédite par les simulations.

L'équipe étudie la possibilité de généraliser cette technologie. Grâce à des buses fabriquées sur mesure et à des encres soigneusement mises au point, elle a déjà imprimé des filaments d'un diamètre d'environ 100 microns et entrevoit des possibilités de miniaturisation.

« En termes d'évolutivité, on pourrait créer à l'avenir des buses plus complexes qui s'intègrent à d'autres matériaux – par exemple, en ayant un canal en métal liquide pour permettre l'actionnement, ou en intégrant d'autres fonctionnalités », a déclaré Jackson Wilt, étudiant diplômé et co-auteur. 

Bien que les élastomères à cristaux liquides commencent seulement à apparaître dans les produits industriels, ils sont activement étudiés pour la robotique souple, l'amortissement de l'énergie et les dispositifs biomédicaux. 

« Ce procédé de conception de filaments et d'impression pourrait accélérer la transition des matériaux artificiels imitant les muscles du laboratoire aux technologies du monde réel », a déclaré Lewis. 

Les applications potentielles incluent des pinces robotiques souples reconfigurables capables de manipuler délicatement de nombreux objets à la fois ; des filtres et des vannes actifs dont la porosité et les voies d'écoulement peuvent être ajustées en fonction de la température ; et des filaments injectables enchevêtrés qui pourraient s'assembler pour former des structures poreuses à grande surface spécifique — utiles, par exemple, dans des contextes biomédicaux où une coagulation rapide des tissus biologiques est nécessaire.

https://seas.harvard.edu/news/toward-artificial-muscles-bend-and-twist-demand