Matériau synthétique permettant aux robots mous de grandir comme les plantes

Une équipe de scientifiques et d’ingénieurs de l’Université du Minnesota a développé un processus d’extrusion inspiré des plantes, qui permet la croissance de matériaux synthétiques, ce qui pourrait permettre aux robots mous de grandir comme les plantes. La méthode est innovante et nouvelle, et les robots résultants pourraient naviguer dans des endroits étroits, des terrains compliqués et même à l’intérieur du corps humain.

La recherche, qui a été financée par la National Science Foundation, a été publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Robots qui « grandissent » lorsqu’ils se déplacent

Chris Ellison est l’auteur principal de l’article et professeur au département de génie chimique et des sciences des matériaux de l’Université du Minnesota Twin Cities.

« C’est la première fois que ces concepts ont été fondamentalement démontrés », a déclaré Ellison. « Développer de nouvelles méthodes de fabrication est essentiel pour la compétitivité de notre pays et pour apporter de nouveaux produits aux gens. Du côté des robots, les robots sont de plus en plus utilisés dans des environnements dangereux et éloignés, et ce sont les types d’endroits où ce travail pourrait avoir un impact. »

Les robots mous sont des robots faits de matériaux mous et flexibles au lieu de matériaux rigides, et ces nouveaux types de robots mous qui grandissent peuvent générer de nouveaux matériaux et « grandir » lorsqu’ils se déplacent. Ils pourraient être appliqués à une variété d’applications, et ils sont particulièrement utiles pour naviguer dans des zones éloignées que les humains ne peuvent pas accéder. Les applications réelles pourraient inclure des inspections ou l’installation de tubes souterrains, ou la navigation à l’intérieur du corps humain.

Les robots mous qui grandissent que nous avons actuellement laissent une traînée de matériau solide derrière eux, et ils utilisent la chaleur et/ou la pression pour transformer le matériau en une structure plus permanente. Les chercheurs comparent cela à une imprimante 3D, qui est alimentée par un fil solide pour produire un produit façonné. Malgré cela, le matériau mou devient difficile lorsque le robot doit se déplacer autour des virages, ce qui signifie qu’il est difficile pour les robots de naviguer dans certains obstacles.

Développer de nouvelles méthodes d’extrusion

Pour résoudre ce problème, l’équipe a développé une nouvelle méthode d’extrusion. Le nouveau processus implique que le matériau soit poussé à travers une ouverture pour créer une forme spécifique, et il permet au robot de créer son matériau synthétique à partir de liquides au lieu de solides.

Matthew Hausladen est l’auteur principal de l’article et un étudiant en doctorat au département de génie chimique et des sciences des matériaux de l’Université du Minnesota Twin Cities.

« Nous avons été vraiment inspirés par la façon dont les plantes et les champignons grandissent », a déclaré Hausladen. « Nous avons pris l’idée que les plantes et les champignons ajoutent du matériau à l’extrémité de leurs corps, soit à l’extrémité de leurs racines ou de leurs nouvelles pousses, et nous l’avons traduite en un système d’ingénierie. »

Les chercheurs ont voulu imiter le processus par lequel les plantes utilisent l’eau pour transporter les blocs de construction qui se transforment en racines solides à mesure que la plante pousse vers l’extérieur. Pour atteindre cela avec un matériau synthétique, l’équipe a eu recours à une technique appelée photopolymérisation, qui utilise la lumière pour transformer les monomères liquides en un matériau solide. Le robot mou peut utiliser cette technologie pour naviguer plus facilement dans les obstacles et les virages sans avoir besoin de traîner du matériau solide.

Applications réelles potentielles

L’équipe affirme que le nouveau processus pourrait également être appliqué dans la fabrication, en particulier dans les applications qui utilisent la chaleur, la pression et les machines pour créer et façonner des matériaux qui pourraient ne pas être nécessaires.

« Une partie très importante de ce projet est que nous avons des scientifiques des matériaux, des ingénieurs chimiques et des ingénieurs en robotique impliqués », a continué Ellison. « En mettant tous nos différents expertises ensemble, nous avons vraiment apporté quelque chose d’unique à ce projet, et je suis convaincu que pas un de nous n’aurait pu le faire seul. C’est un excellent exemple de la façon dont la collaboration permet aux scientifiques de résoudre des problèmes fondamentaux difficiles tout en ayant un impact technologique. »

L’équipe de chercheurs comprend également des chercheurs du département de génie chimique et des sciences des matériaux de l’Université du Minnesota, Boran Zhao (chercheur postdoctoral) et Lorraine Francis (professeure distinguée du Collège des sciences et de l’ingénierie) ; et des chercheurs du département de génie mécanique de l’Université du Minnesota, Tim Kowalewski (professeur associé) et Matthew Kubala (étudiant en master).