Peau ionique esthétique à croissance hors équilibre pour une sensation tactile et une reconnaissance de texture non perturbées du bout des doigts. Crédit : Haiyan Qiao, Université de Donghua, Chine.
Du bout des doigts, les humains peuvent toucher et saisir des objets dans leur environnement, mais ils peuvent également ressentir les propriétés tactiles des objets et détecter d’autres changements atmosphériques. Le bout des doigts est une partie incroyablement sensible de notre peau, avec des motifs d’empreintes digitales uniques gravés dessus.
Les roboticiens ont essayé de créer des bouts de doigts artificiels de plus en plus améliorés, car ceux-ci pourraient permettre aux robots de discriminer les textures fines des objets et potentiellement même de surveiller les changements atmosphériques dans leur environnement. Bien que plusieurs matériaux ressemblant à la peau aient été proposés au cours des dernières années, la plupart d’entre eux ne reproduisent pas efficacement les mêmes capacités tactiles de l’homme.
Des chercheurs de l’Université de Donghua en Chine ont récemment introduit une nouvelle peau ionique qui pourrait être utilisée pour imiter la fonction du bout des doigts dans les robots. Cette peau, introduite dans un article de Advanced Materials, pourrait à terme permettre aux robots de ressentir les propriétés tactiles des objets et de reconnaître différentes textures ou matériaux.
« Ce travail a été initialement inspiré par le bout des doigts et les empreintes digitales que nous utilisons pour toucher et percevoir le monde tous les jours », a déclaré à Tech Xplore le Dr Shengtong Sun, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. « Bien que de nombreux bouts de doigts biomimétiques » durs « aient été signalés ces dernières années, deux défis clés subsistent dans la conception de peaux ioniques artificielles » douces « avec des capacités tactiles semblables au bout des doigts. L’un est de savoir comment surmonter l’interférence de contrainte dans la détection de pression tactile; l’autre est obtenir une reconnaissance de texture fine comme le bout des doigts, ce qui est également une manifestation d’une sensibilité tactile élevée. »
Dans le cadre de leur étude récente, le Dr Sun et ses collègues ont entrepris de surmonter ces deux principaux défis généralement rencontrés lorsqu’ils tentent de développer des peaux douces composées d’ions, également appelées peaux ioniques. Pour ce faire, ils ont d’abord réfléchi à la manière dont ils pourraient former et caractériser des motifs d’empreintes digitales sur un matériau souple, imitant finalement à la fois la structure et la fonction du bout des doigts humains.
« Nous avons remarqué que le bout des doigts présente une structure d’empreintes digitales à contraste de module avec des crêtes et des vallées périodiques », a expliqué le Dr Sun. « On pense qu’un tel schéma périodique endogène est créé par un processus de réaction-diffusion hors d’équilibre à partir de l’effet biochimique de Turing. »
Lorsque le bout des doigts détecte les propriétés tactiles des objets qu’ils touchent, les crêtes rigides à l’intérieur sont théorisées pour agir comme des microleviers mécaniques qui peuvent transmettre rapidement des signaux de vibration tactiles aux récepteurs du derme (c’est-à-dire une épaisse couche de tissu sous la couche externe de la peau). Ces crêtes ne se déforment que légèrement au contact de surfaces ou d’objets, leur permettant de conserver un contact quasi constant avec eux. En conséquence, la sensibilité à la pression du bout des doigts est presque exempte de distorsion de contrainte.
« Inspirés par ces caractéristiques du bout des doigts, nous avons fabriqué une peau ionique esthétique également issue d’un processus de modelage Liesegang hors équilibre », a déclaré le Dr Sun. « Il est intéressant de noter qu’il a été démontré qu’une telle peau ionique esthétique possédait la sensibilité à la pression non perturbée du bout des doigts ainsi que la capacité de reconnaître les textures. »
Pour créer cette peau ionique esthétique, le Dr Sun et ses collègues ont utilisé une stratégie de modelage Liesegang, qui implique une réaction de précipitation pour créer des motifs dans des matériaux hydrogel. En utilisant cette technique, ils ont créé des crêtes rigides intégrées dans un hydrogel élastique, ressemblant à celles observées au bout des doigts humains.
« La structuration de Liesegang se produit généralement lorsqu’une réaction de précipitation est couplée au transport de masse de réactifs dans un gel poreux, conduisant à des bandes périodiques de précipités », a déclaré le Dr Sun. « En l’enduisant d’une couche de fluoroélastomère, la peau ionique à motif Liesegang peut agir comme un capteur tactile triboélectrique très sensible. Bénéficiant du contraste de module des vallées douces et des crêtes rigides, le capteur tactile triboélectrique peut également détecter avec sensibilité les stimuli de pression dynamiques, reconnaît les textures fines et montre une sensibilité à la pression presque inchangée même lorsqu’il est étiré jusqu’à la contrainte de rupture maximale (~ 50%) de la peau humaine.
Les chercheurs ont assemblé la peau ionique à motifs qu’ils ont créée avec un autre ionogel piézorésistif pour imiter le système sensoriel tactile multimodal biologique de manière encore plus réaliste. Dans une série de tests préliminaires, le capteur tactile semblable à une peau artificielle résultant a obtenu des résultats très prometteurs, détectant des informations tactiles même lorsqu’il était étiré.
« Ce travail introduit de manière créative le phénomène de réaction-diffusion hors d’équilibre dans la conception des matériaux de détection ionique », a déclaré le Dr Sun. « La peau ionique esthétique résultante avec des motifs périodiques de Liesegang est caractérisée par des arêtes rigides intégrées dans une matrice d’hydrogel souple. Une telle structure hybride de contraste de module confère à la peau ionique des propriétés de détection tactiles intrigantes de sensibilité à la pression triboélectrique non perturbée et reconnaissance de texture fine, qui ont rarement été atteintes dans les peaux ioniques artificielles précédentes. »
À l’avenir, le capteur tactile artificiel à base d’hydrogel développé par cette équipe de chercheurs pourrait être utilisé pour créer des peaux robotiques souples ou des doigts artificiels capables d’acquérir des signaux de pression dynamiques et statiques en temps réel pendant qu’un robot saisit des objets. De plus, les travaux du Dr Sun et de ses collègues pourraient inspirer la création d’autres peaux ioniques prometteuses pour les applications robotiques utilisant la structuration Liesegang.
« La peau ionique esthétique à motif Liesegang a été fabriquée sur un substrat d’hydrogel, et le matériau résultant a une certaine épaisseur d’environ 2 mm », a ajouté le Dr Sun. « Ce n’est peut-être pas assez fin pour répondre aux futures applications robotiques douces. Dans nos prochaines études, nous essaierons d’introduire des motifs de Liesegang dans une matrice ultra-mince pour préparer des peaux ioniques artificielles à couche mince. »
