Des chercheurs développent des actionneurs de robots mous à auto-guérison

Une équipe de chercheurs de la Penn State University a développé une solution à l'usure des actionneurs robotiques mous due à une activité répétée : un polymère biosynthétique auto-cicatrisant à base de dents annulaires de calmar. Le matériau est bénéfique pour les actionneurs, mais il pourrait également être appliqué partout où de minuscules trous pourraient causer des problèmes, comme les combinaisons de matières dangereuses.

Selon le rapport en Nature Materials, "Les matériaux auto-cicatrisants actuels présentent des défauts qui limitent leur application pratique, tels qu'une faible force de cicatrisation et de longs temps de cicatrisation (heures)." 

S'inspirant de créatures naturelles qui s'auto-guérissent, les chercheurs ont créé des protéines synthétiques à haute résistance. Ils sont capables d'auto-guérir des dommages infimes et visibles.

Melik Demirel est professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique et titulaire de la chaire Lloyd et Dorothy Foehr Huch en matériaux biomimétiques.

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

Bras robotiques et prothèses

Certaines machines robotiques, telles que les bras robotiques et les jambes prothétiques, reposent sur des articulations qui bougent constamment. Cela nécessite un matériau souple, et il en va de même pour les ventilateurs et divers types d'équipements de protection individuelle. Ces matériaux, et tous ceux qui subissent des mouvements répétitifs continus, risquent de développer de petites déchirures et fissures, qui finissent par se casser. Grâce à l'utilisation d'un matériau auto-cicatrisant, ces minuscules déchirures peuvent être rapidement réparées avant que des dommages sérieux ne soient causés. 

Répétitions en tandem de l'ADN

L'équipe de chercheurs a créé le polymère auto-cicatrisant en utilisant une série de répétitions en tandem d'ADN constituées d'acides aminés produits par duplication de gènes. Les répétitions en tandem sont souvent une courte série de molécules qui peuvent se répéter un nombre illimité de fois. 

Abdon Pena-Francelsch est l'auteur principal de l'article et un ancien doctorant du laboratoire de Demirel.

"Nous avons pu réduire une période de guérison typique de 24 heures à une seconde afin que nos robots mous à base de protéines puissent désormais se réparer immédiatement", a déclaré Abdon Pena-Francelsch. "Dans la nature, l'auto-guérison prend beaucoup de temps. En ce sens, notre technologie surpasse la nature.

Selon Demirel, le polymère auto-cicatrisant peut se guérir avec l'application d'eau, de chaleur et même de lumière. 

"Si vous coupez ce polymère en deux, quand il guérit, il récupère 100% de sa force", a déclaré Demirel.

Metin Sitti est directeur du département d'intelligence physique à l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents, à Stuttgart, en Allemagne.

"Les matériaux souples physiquement intelligents et autoréparables sont essentiels pour construire des robots et des actionneurs souples robustes et tolérants aux pannes dans un avenir proche", a déclaré Sitti.

L'équipe a pu créer le polymère mou à guérison rapide en ajustant le nombre de répétitions en 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. 

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 manquerons de pétrole et cela pollue également et provoque le réchauffement climatique. Nous ne pouvons pas rivaliser avec les plastiques vraiment bon marché. La seule façon d'être compétitif est de fournir quelque chose que les polymères à base de pétrole ne peuvent pas fournir et l'auto-guérison offre les performances nécessaires.

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

Les polymères biomimétiques sont capables de se biodégrader et des acides comme le vinaigre sont capables de le recycler en une poudre qui peut ensuite être transformée en polymère auto-cicatrisant d'origine. 

Stephanie McElhinny est responsable du programme de biochimie au Bureau de recherche de l'armée. 

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