L’un des aspects les plus intéressants de la disponibilité des robots – dans un avenir proche – est la possibilité de leur déléguer les tâches les plus fatigantes et les plus pénibles, comme le déplacement de charges lourdes.
Dans notre corps se trouvent muscles qui nous permettent d’effectuer non seulement des actions simples et quotidiennes (comme marcher, tenir un crayon, respirer ou autre), mais aussi des gestes de la vie quotidienne. des mouvements complexes et exigeants, comme courir, sauter et porter des objets lourds.
Dans le but de permettre aux robots d’imiter en tous points ce que le corps humain est capable de faireun groupe de chercheurs internationaux du Material Research Institute, qui fait partie de l’université d’État de Pennsylvanie, a mis au point un système d’imitation des robots qui permet d’imiter en tous points ce que le corps humain est capable de faire. un nouveau type de polymère ferroélectrique exceptionnellement efficace pour convertir l’énergie électrique en contrainte mécanique.exactement comme un muscle humain.
Le matériau s’est avéré être extrêmement prometteur non seulement en tant que contrôleur de mouvement à haute performance ou « actionneur pour des applications en robotique avancée, mais mais aussi dans les appareils médicaux et les systèmes de positionnement de précision.
Selon les scientifiques qui ont participé à la recherche, son utilisation principale serait celle d’un actionneuren vertu de son flexibilité, adaptabilité et résilienceLa caractéristique principale d’un actionneur est en fait la déformation mécanique qu’il peut supporter, c’est-à-dire la façon dont le matériau change de forme lorsqu’une force est appliquée, puis revient à son état initial lorsque la force cesse.
La découverte des matériaux ferroélectriques (c’est-à-dire un matériau dont la polarisation spontanée est commutable et qui est donc capable de produire de l’électricité de manière autonome) et leurs caractéristiques a littéralement changé les règles du jeu, déplaçant le centre d’intérêt des chercheurs. des matériaux rigides vers les matériaux souples et la création des premiers polymères ferroélectriques.
La recherche de l’Université américaine (publiée sous le titre « Un nouveau matériau ferroélectrique pourrait donner des muscles aux robots ».) a également démontré comment les nanocomposites à base de polymères ferroélectriques sont capables de surmonter les limites des composites à base de polymères piézoélectriques.dont la force réside dans leur capacité à polariser, en générant une différence de potentiel électrique, lorsqu’il est soumis à une déformation mécanique et, inversement, à une déformation élastique lorsqu’il est soumis à une tension électrique.
« Potentiellement, nous pouvons maintenant avoir une structure robotique souple que nous appelons muscle artificiel »., a déclaré Qing Wang, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’université d’État de Pennyslvaia et auteur correspondant de l’étude. « Actionnement électro-thermique dans les nanocomposites polymères ferroélectriques percolatifs ». récemment publié dans Nature Materials.
« Cela nous permettrait d’avoir de la matière molle capable de résister à une charge élevée ainsi qu’à un grand stress. Cette matière deviendrait aussi proche que possible du muscle humain » ajouté Wang.
Une application courante d’un actionneur ferroélectrique est une imprimante à jet d’encredans laquelle la charge électrique modifie la forme de l’actionneur pour contrôler avec précision les minuscules buses qui déposent de l’encre sur le papier, formant ainsi du texte et des images.
De nombreux matériaux ferroélectriques sont des céramiques, mais la recherche a récemment mis au point plusieurs polymères présentant ces caractéristiques, à savoir classe de matériaux naturels et synthétiques constitués de nombreuses unités similaires liées entre elles.
L’un des avantages des polymères ferroélectriques réside dans le fait qu’ils présentent les caractéristiques suivantes une énorme quantité de déformation induite par le champ électrique exercé sur l’actionneur.
Cette propriété (associée à un haut niveau de flexibilité, de coût et de faible poids) est d’un grand intérêt pour les chercheurs qui travaillent dans le domaine de la recherche sur les maladies infectieuses. robotique mollela conception de robots avec des pièces flexibles combinées à de l’électronique.
Cependant, il y a des obstacles à surmonter avant que ces matériaux puissent tenir leurs promesses, et l’étude a proposé les éléments suivants des solutions potentielles.
Les ferroélectriques, comme mentionné quelques paragraphes plus haut, sont une classe de matériaux présentant une polarisation électrique spontanée qui réagit à l’application d’une charge électrique externe en déplaçant les charges positives et négatives vers des pôles différents.
La déformation de ces matériaux pendant la transition de phase (dans ce cas, la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique) peut changer complètement certaines de leurs propriétés, telles que leur forme, ce qui les rend utiles en tant qu’actionneurs. deux limitations majeures.
« Dans cette étude, nous avons proposé des solutions à deux défis majeurs dans le domaine de l’entraînement des matériaux mous, explique Wang. « L’un est lié à l’amélioration de la résistance des matériaux souplesLes polymères que nous utilisons se déforment davantage, mais génèrent beaucoup moins de force que les céramiques piézoélectriques.
Le deuxième défi est qu’un actionneur polymère ferroélectrique nécessite généralement une plage d’actionnement très élevéec’est-à-dire une force considérable qui impose un changement dans le système (ndlr : le changement de forme de l’actionneur) »..
La solution proposée par l’équipe pour améliorer les performances des polymères ferroélectriques consiste à développer un nanocomposite polymère ferroélectrique percolatif.une sorte de « autocollant microscopique attaché au polymère.
Ce faisant, les chercheurs ont pu incorporer des nanoparticules (en l’occurrence du fluorure de polyvinylidène) dans le polymère, créant ainsi un matériau de base pour la production d’énergie. un réseau interconnecté de pôles dans le matériau.
Le treillis a permis d’induire une transition de phase ferroélectrique à des champs électriques beaucoup plus faibles que ceux normalement requisgrâce à la électrothermiquec’est-à-dire en exploitant l’effet Joule qui se produit lorsque le courant électrique traversant un conducteur produit de la chaleur.
Cette stratégie pour induire une transition de phase dans les polymères nanocomposites a nécessité moins de 10 % de l’intensité d’un champ électrique typique. utilisé dans ces applications, ce qui pourrait permettre de surmonter l’une des limites mises en évidence par l’étude de 2017 « Light-Triggered Soft Artificial Muscles : Molecular-Level Amplification of Actuation Control Signals » (Muscles artificiels souples déclenchés par la lumière : amplification au niveau moléculaire des signaux de contrôle de l’actionnement).publié à son tour dans la revue Nature.
« En général, dans les matériaux ferroélectriques, la déformation et la force sont liées l’une à l’autre, dans une relation inverse. »explique Wang.
« Nous sommes maintenant en mesure d’intégrer ces deux caractéristiques dans un seul matériau ; en même temps, nous avons développé une nouvelle approche pour le faire fonctionner, à savoir le chauffage par effet Joule. En outre, comme l’intensité du champ électrique peut être beaucoup plus faible que dans d’autres matériaux, les applications potentielles de ce polymère se situent également dans le domaine de la biomédecine. ».
