fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ont mis au point une méthode d'impression 3D permettant de fabriquer des fibres plus fines qu'un cheveu humain. Ces fibres peuvent se plier, se tordre, se dilater ou se contracter en fonction des variations de température, agissant comme des muscles artificiels programmables. Les résultats ont été publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences. L'étude provient du laboratoire de Jennifer Lewis, titulaire de la chaire Hansjörg Wyss de professeur d'ingénierie biomimétique, et le chercheur postdoctoral Mustafa Abdelrahman en est le premier auteur.
Cette technologie repose sur une plateforme d'impression 3D rotative multimatériaux développée par le laboratoire Lewis. La plateforme extrude simultanément deux matériaux via une buse rotative : un élastomère à cristaux liquides, un matériau actif qui se contracte dans une direction moléculaire privilégiée lorsqu'il est chauffé, et un élastomère souple inerte qui conserve sa forme quelle que soit la température. En contrôlant précisément la position de chaque matériau dans la section transversale de la fibre et en faisant tourner la buse pendant l'impression, les chercheurs peuvent inscrire directement un arrangement moléculaire hélicoïdal dans la fibre lors de sa formation, préprogrammant ainsi entièrement le comportement de changement de forme pendant la fabrication, sans nécessiter de post-traitement ni d'assemblage manuel.
« J'ai vu cette très belle plateforme d'impression 3D rotative et je me suis dit : si nous ajoutions un matériau actif et le modelions dans la fibre, pourrions-nous ainsi piloter le changement de forme ? » a déclaré Abdelrahman.
Le potentiel de cette technologie s'est manifesté lorsque l'équipe a utilisé des fibres programmées individuellement comme éléments de base pour des architectures plus complexes. Des fibres en forme d'onde sinusoïdale ou ondulée, visuellement identiques, présentent des comportements opposés en fonction de la position du matériau actif : lorsque l'élastomère se trouve à l'extérieur de l'onde, la fibre s'allonge et se dilate ; lorsqu'il se trouve à l'intérieur, la fibre se resserre et se contracte.
À partir de ces unités, les chercheurs ont assemblé des réseaux plans capables de s'ouvrir et de se fermer sous l'effet de la chaleur, fonctionnant comme des filtres actifs : sous l'effet de la chaleur, ils laissent passer les particules, et au refroidissement, ils les capturent. Ce réseau peut également servir de préhenseur pick-and-place, soulevant simultanément plusieurs tiges et les relâchant à la demande. Un réseau présentant des zones alternées de dilatation et de contraction se transforme en une structure en forme de dôme lorsqu'il est chauffé, en parfaite adéquation avec les simulations prédites par ordinateur. La validation et la modélisation ont été réalisées en collaboration avec le professeur L. Mahadevan, expert en mécanique des structures naturelles, et l'arrangement moléculaire a été caractérisé par diffusion des rayons X au Brookhaven National Laboratory, en collaboration avec le laboratoire de la professeure Joanna Aizenberg.
L'équipe a imprimé des fibres d'un diamètre aussi petit que 100 micromètres et estime qu'il est possible d'aller encore plus loin. « En termes d'évolutivité, il est possible de fabriquer à l'avenir des buses plus complexes, intégrant d'autres matériaux, par exemple en ajoutant des canaux de métal liquide pour l'actionnement, ou en intégrant d'autres fonctionnalités », a déclaré Jackson Wilt, étudiant diplômé et co-auteur.
Les applications envisagées par l'équipe incluent des préhenseurs souples reconfigurables, des filtres et vannes réglables, ainsi que des fibres injectables qui, une fois dans le corps, se verrouillent pour former une structure poreuse favorisant la coagulation, à des fins biomédicales. Comme le dit Lewis : « Ce cadre de conception et d'impression de fibres peut accélérer la transition des matériaux de type muscle artificiel du laboratoire vers des technologies réelles. »
L'équipe de Harvard a également identifié les limites du système actuel. La miniaturisation est l'une des contraintes directes : la résolution de la buse est limitée par l'imprimante à résine DLP utilisée pour fabriquer les têtes d'extrusion sur mesure, ce qui limite la taille des caractéristiques à environ 50 micromètres. La réduction du diamètre de la buse de 1 mm à 0,5 mm a permis de diminuer le diamètre des fibres de 600 à 300 micromètres, mais au prix d'une vitesse d'impression plus faible aux échelles plus petites, ce qui réduit l'alignement moléculaire induit par cisaillement de l'élastomère à cristaux liquides. Étant donné que l'alignement moléculaire est la source de l'actionnement, il existe un compromis direct entre la miniaturisation et les performances.
La dépendance à la température est une autre contrainte pratique. Tout actionnement repose sur le chauffage de l'échantillon au-dessus de la température de transition nématique-isotrope de l'élastomère à cristaux liquides, un seuil bien supérieur aux conditions ambiantes dans la formulation d'encre actuelle. Les démonstrations ont été réalisées en immergeant les réseaux dans un bain d'huile de silicone chauffé, une configuration très éloignée des environnements sans fil, intégrés au corps ou ambiants requis pour les applications en robotique souple et biomédicale.
Les auteurs contributeurs de cette étude incluent Yeonsu Jung, Rodrigo Telles, Gurminder K. Paink et Natalie M. Larson. Le financement a été assuré par la National Science Foundation via le Harvard Materials Research Science and Engineering Center et le programme Multidisciplinary University Research Initiative de l'Army Research Office. Les travaux expérimentaux ont été menés au Harvard Center for Nanoscale Systems et au synchrotron du Brookhaven National Laboratory, soutenus respectivement par la NSF et le Département de l'Énergie. Le bureau de transfert de technologie de Harvard a entamé les démarches pour protéger la propriété intellectuelle de cette innovation fondamentale et explore les voies pour la commercialiser.
Cette dernière réalisation du laboratoire Lewis s'inscrit dans la trajectoire de recherche de Harvard sur les matériaux souples programmables. Une étude antérieure du groupe, dirigée par Jackson Wilt et l'ancienne postdoctorante Natalie Larson, utilisait la même plateforme d'impression 3D rotative multimatériaux pour fabriquer des structures robotiques souples avec des voies d'actionnement intégrées, visant des applications en robotique chirurgicale et en technologies d'assistance humaine. Lewis et Emily Davidson, professeure à l'Université de Princeton, ont perfectionné la science de l'orientation des cristaux liquides dans les processus d'impression 3D par extrusion, transformant ce processus d'un art expérimental en une discipline plus précise et mesurable, jetant ainsi les bases d'une fabrication fiable à grande échelle de matériaux à base d'élastomères à cristaux liquides. Les élastomères à cristaux liquides suscitent désormais un intérêt dans les domaines de la robotique souple, de l'amortissement d'énergie et du génie biomédical. La capacité de préprogrammer le changement de forme des fibres lors de l'impression élimine un obstacle clé à la transformation des résultats de laboratoire en dispositifs utilisables.
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