Des micro-actionneurs enroulés biomimétiques capables de déplacer des objets 30 fois plus lourds qu'eux, développés à l'Université de Stuttgart en Allemagne

fr.wedoany.com Rapport : L'équipe du Dr Zaklina Burghard de l'Institut des sciences des matériaux de l'Université de Stuttgart a développé une plateforme de fabrication capable de transformer en quelques secondes des films fonctionnels ultra-minces en micro-enroulements céramiques tridimensionnels programmables, servant de composants d'actionnement compacts pour les futurs microrobots et robots mous. Ces travaux sont issus des recherches de longue date de Burghard sur les systèmes de matériaux céramiques biomimétiques.

Les microrobots, de volume extrêmement réduit, présentent un potentiel d'application dans les domaines médical et industriel ; les robots mous, quant à eux, s'appuient sur des matériaux flexibles et adaptatifs pour améliorer leur adaptabilité et leur sécurité. Comme pour les robots macroscopiques, les actionneurs de ces deux types de systèmes doivent contrôler le mouvement ou la préhension, mais la taille globale des systèmes miniatures étant bien plus réduite et les robots mous devant posséder une capacité de déformation élastique, ces exigences nouvelles imposent des contraintes inédites aux composants, souvent réalisables uniquement grâce à de nouveaux matériaux.

En s'inspirant du mouvement d'enroulement et de déploiement de la trompe du papillon, l'équipe de recherche a préparé des films ultra-minces de pentoxyde de vanadium contenant des nanoparticules magnétiques d'oxyde de fer. Lors de la fabrication, les chercheurs ont délicatement décollé le film céramique ultra-mince de son substrat à l'aide d'une lame, qui plie continuellement le film détaché, le faisant s'enrouler en quelques secondes en un micro-enroulement serré. En approchant un aimant du micro-enroulement, celui-ci se déploie rapidement ; une fois le champ magnétique retiré, il se réenroule.

Contrairement aux céramiques traditionnelles, ces films ultra-minces sont flexibles. Leur comportement mécanique unique provient de structures hiérarchiques nanométriques et micrométriques inspirées du vivant, qui permettent une déformation élastique tout en préservant l'intégrité structurelle du matériau céramique. Les micro-enroulements fabriqués par les chercheurs ne mesurent que quelques micromètres de largeur, quelques centaines de micromètres de diamètre une fois enroulés, et peuvent atteindre 25 millimètres de longueur une fois déployés. Lors des expériences, les micro-enroulements ont fonctionné normalement après 5 000 cycles et ont pu déplacer des objets plus de 30 fois plus lourds qu'eux-mêmes.

Burghard explique que les micro-enroulements peuvent également être disposés en réseaux programmables, permettant à plusieurs actionneurs de fonctionner simultanément pour exécuter des tâches coordonnées telles que soulever, transporter ou manipuler des objets minuscules. Le pentoxyde de vanadium a été choisi comme matériau modèle car il constitue depuis des années le cœur des recherches de Burghard, fournissant une base à la plateforme de fabrication.

Burghard indique que les actionneurs ne sont que le début ; la véritable innovation réside dans la plateforme d'enroulement elle-même, qui peut être transférée à de nombreux films organiques et inorganiques différents, et pourrait être utilisée à l'avenir dans les composants électroniques, les capteurs, les dispositifs de stockage d'énergie et d'autres microsystèmes multifonctionnels.

Ces travaux ont débuté dans le cadre d'un projet financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), dirigé par Burghard. Le mémoire de master de Semi Kim, achevé en 2023, a mené les premières études expérimentales, jetant les bases des recherches actuelles. Les travaux ont été réalisés au sein du département des matériaux biomimétiques de l'Institut des sciences des matériaux, qui puise son inspiration dans la nature et la combine à la science moderne des matériaux, intégrant la physique, la chimie, la modélisation computationnelle et les principes de conception de matériaux biomimétiques pour développer les matériaux fonctionnels et les microsystèmes programmables de nouvelle génération.