Les chercheurs développent des actionneurs de robots mous auto-réparables

Une équipe de chercheurs de l’Université de Penn State a développé une solution pour le problème de l’usure des actionneurs de robots mous en raison de l’activité répétée : un polymère biosynthétique auto-réparable basé sur les dents annulaires de calmar. Le matériau est bénéfique pour les actionneurs, mais il pourrait également être appliqué partout où de petites perforations pourraient causer des problèmes, comme les combinaisons de protection contre les matières dangereuses.

Selon le rapport dans Nature Materials, « Les matériaux auto-réparables actuels ont des limites qui restreignent leur application pratique, comme une faible résistance de réparation et des temps de réparation longs (heures). »

En s’inspirant des créatures auto-réparables de la nature, les chercheurs ont créé des protéines synthétiques à haute résistance. Ils sont capables de se réparer des dommages minimes et visibles.

Melik Demirel est professeur de science et de mécanique des matériaux et titulaire de la chaire Lloyd et Dorothy Foehr Huch en matériaux biomimétiques.

« Notre objectif est de créer des matériaux programmables auto-réparables avec un contrôle sans précédent sur leurs propriétés physiques en utilisant la biologie synthétique », a-t-il déclaré.

Bras et prothèses robotiques

Certaines machines robotiques, comme les bras et les jambes prosthetiques, reposent sur des articulations qui bougent constamment. Cela nécessite un matériau mou, et c’est également le cas pour les ventilateurs et différents types d’équipements de protection individuelle. Ces matériaux, et tous ceux qui subissent des mouvements répétitifs constants, sont exposés au risque de développer de petites déchirures et de fissures, ce qui peut entraîner leur rupture. Avec l’utilisation de matériaux auto-réparables, ces petites déchirures peuvent être réparées rapidement avant qu’aucun dommage grave ne soit causé.

Répétitions tandem de l’ADN

L’équipe de chercheurs a créé le polymère auto-réparable en utilisant une série de répétitions tandem de l’ADN consistant en des acides aminés produits par duplication génique. Les répétitions tandem sont souvent une série courte de molécules qui peuvent se répéter un nombre illimité de fois.

Abdon Pena-Francelsch est l’auteur principal de l’article et un ancien étudiant doctorant dans le laboratoire de Demirel.

« Nous avons pu réduire une période de réparation typique de 24 heures à une seconde, de sorte que nos robots mous à base de protéines puissent maintenant se réparer immédiatement », a déclaré Abdon Pena-Francelsch. « Dans la nature, l’auto-réparation prend du temps. Dans ce sens, notre technologie surpasse la nature. »

Selon Demirel, le polymère auto-réparable peut se réparer avec l’application d’eau, de chaleur et même de lumière.

« Si vous coupez ce polymère en deux, lorsqu’il se répare, il retrouve 100 % de sa résistance », a déclaré Demirel.

Metin Sitti est directeur du département de l’intelligence physique de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents, Stuttgart, Allemagne.

« Les matériaux mous physiquement intelligents et auto-réparables sont essentiels pour construire des robots et des actionneurs mous robustes et tolérants aux défauts dans un avenir proche », a déclaré Sitti.

L’équipe a pu créer le polymère mou à réparation rapide en ajustant le nombre de répétitions tandem. Il est capable de conserver sa résistance d’origine, et en même temps, ils ont pu rendre le polymère 100 % biodégradable et 100 % recyclable dans le même polymère.

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Polymères à base de pétrole

« Nous voulons minimiser l’utilisation de polymères à base de pétrole pour de nombreuses raisons », a déclaré Demirel. « Tôt ou tard, nous allons manquer de pétrole et cela pollue également et cause le réchauffement climatique. Nous ne pouvons pas concurrencer les plastiques vraiment bon marché. La seule façon de concurrencer est de fournir quelque chose que les polymères à base de pétrole ne peuvent pas offrir, et l’auto-réparation fournit les performances nécessaires. »

Selon Demirel, de nombreux polymères à base de pétrole peuvent être recyclés, mais cela doit être fait dans quelque chose de différent.

Les polymères biomimétiques peuvent se biodégrader, et des acides comme le vinaigre peuvent les recycler en poudre qui peut ensuite être fabriquée en polymère auto-réparable d’origine.

Stephanie McElhinny est responsable de programme en biochimie au Bureau de recherche de l’armée.

« Cette recherche éclaire le paysage des propriétés des matériaux qui deviennent accessibles en allant au-delà des protéines qui existent dans la nature en utilisant les approches de biologie synthétique, a déclaré McElhinny. « L’auto-réparation rapide et à haute résistance de ces protéines synthétiques démontre le potentiel de cette approche pour fournir des matériaux novateurs pour les applications futures de l’armée, comme les équipements de protection individuelle ou les robots flexibles qui pourraient manœuvrer dans des espaces confinés. »