Pionniers de la robotique douce durable : des muscles artificiels biodégradables pour un avenir plus vert

Une équipe internationale de chercheurs de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents (MPI-IS) à Stuttgart, en Allemagne, de l’Université Johannes Kepler (JKU) à Linz, en Autriche, et de l’Université du Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, ont mis la durabilité au premier plan de la robotique douce.

Ensemble, ils ont développé un muscle artificiel entièrement biodégradable, à haute performance, fabriqué à partir de gélatine, d’huile et de bioplastiques. Les scientifiques ont démontré le potentiel de cette technologie innovante en l’utilisant pour animer une pince robotique, particulièrement bénéfique pour les applications à usage unique, telles que la collecte des déchets. Ces muscles artificiels peuvent être éliminés dans les bacs de compost municipaux et se dégradent complètement en six mois dans des conditions contrôlées.

Ellen Rumley, scientifique invitée de CU Boulder travaillant au département des matériaux robotiques de l’MPI-IS et co-première auteur de l’article paper, souligne l’importance des matériaux durables dans la robotique douce :

“Les pièces biodégradables pourraient offrir une solution durable, en particulier pour les applications à usage unique, comme les opérations médicales, les missions de recherche et de sauvetage et la manipulation de substances dangereuses. Au lieu de s’accumuler dans les décharges à la fin de la vie du produit, les robots de demain pourraient devenir du compost pour la croissance des plantes futures.”

Développement de muscles artificiels HASEL biodégradables

Les chercheurs ont créé un muscle artificiel électriquement actionné appelé HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). Les HASEL sont des poches en plastique remplies d’huile partiellement recouvertes d’une paire de conducteurs électriques appelés électrodes. Lorsqu’une haute tension est appliquée à travers la paire d’électrodes, des charges opposées se forment, générant une force qui pousse l’huile vers une région de la poche sans électrode. Cette migration de l’huile entraîne la contraction de la poche, similaire à un muscle réel. Pour que les HASEL se déforment, les matériaux utilisés pour la poche en plastique et l’huile doivent être des isolants électriques capables de supporter les contraintes électriques élevées générées par les électrodes chargées.

Un défi clé était de développer une électrode conductrice, douce et entièrement biodégradable. Les chercheurs de la JKU ont créé une recette à partir d’un mélange de gélatine biopolymère et de sels qui pouvaient être directement coulés sur les actionneurs HASEL.

David Preninger, co-premier auteur de ce projet et scientifique à la division de physique des matières molles de la JKU, explique :

“Il était important pour nous de créer des électrodes adaptées à ces applications à haute performance, mais avec des composants facilement disponibles et une stratégie de fabrication accessible.”
 

Image Source: Max Plank Institute

Performances électriques et plastiques biodégradables

Le prochain obstacle était d’identifier des plastiques biodégradables appropriés. Les ingénieurs privilégient généralement des facteurs tels que le taux de dégradation et la résistance mécanique plutôt que l’isolation électrique, une exigence pour les HASEL qui fonctionnent à plusieurs milliers de volts. Cependant, certains bioplastiques ont démontré une bonne compatibilité de matériau avec les électrodes en gélatine et une isolation électrique suffisante.

Une combinaison de matériaux spécifique a permis aux HASEL de supporter 100 000 cycles d’actionnement à plusieurs milliers de volts sans défaillance électrique ou perte de performance. Ces muscles artificiels biodégradables sont électromécaniquement compétitifs avec leurs homologues non biodégradables, promouvant la durabilité dans la technologie des muscles artificiels.

Ellen Rumley élabore sur l’impact de leurs recherches :

“En montrant les performances exceptionnelles de ce nouveau système de matériaux, nous donnons un stimulus à la communauté de la robotique pour considérer les matériaux biodégradables comme une option de matériau viable pour la construction de robots. Le fait que nous ayons obtenu de tels résultats avec des bioplastiques donne probablement également une motivation aux autres scientifiques des matériaux pour créer de nouveaux matériaux avec des performances électriques optimisées.”

Perspectives et applications futures

Le développement de muscles artificiels biodégradables ouvre de nouvelles portes pour l’avenir de la robotique. En incorporant des matériaux durables dans la technologie robotique, les scientifiques peuvent réduire l’impact environnemental des robots, en particulier dans les applications où les appareils à usage unique sont prédominants. Le succès de cette recherche ouvre la voie à l’exploration de plus de composants biodégradables et à la conception de robots entièrement éco-amicaux.

Les applications potentielles pour les robots douces biodégradables s’étendent au-delà de la collecte des déchets et des opérations médicales. Ces robots pourraient être utilisés dans la surveillance de l’environnement, l’agriculture et même les produits électroniques grand public, réduisant la charge sur les décharges et contribuant à une économie circulaire.

Alors que la recherche se poursuit, l’équipe prévoit d’affiner davantage les matériaux et les processus utilisés pour créer des muscles artificiels biodégradables. En collaborant avec d’autres experts en science des matériaux et en robotique, ils visent à développer de nouvelles technologies qui propulseront le domaine de la robotique douce durable vers l’avant. Les chercheurs espèrent encourager l’adoption de matériaux biodégradables dans diverses industries, favorisant ainsi une approche plus éco-responsable du développement technologique.

Les travaux novateurs de cette équipe internationale de recherche représentent une étape cruciale vers un avenir plus durable pour la robotique douce. En démontrant la viabilité et les performances de muscles artificiels biodégradables, ils ouvrent la voie à de nouvelles avancées dans la technologie verte et inspirent la communauté de la robotique à considérer des alternatives durables pour leurs créations.