Déplacement de pièces en papier pour robots

Des chercheurs de l'Université Inha en Corée du Sud ont démontré que la cellulose, le principal ingrédient du papier, peut se plier en réponse à l'électricité. La cellulose traitée est légère, peu coûteuse et nécessite peu d'énergie par rapport à des matériaux électriquement actifs similaires.

Cette fine pellicule de cellulose recouverte d'or s'agite comme des ailes de libellule en réponse à un courant électrique. Le matériau, appelé papier électroactif, peut servir d'aile à de petits robots volants. (Gracieuseté de Zoubeida Ounaies, Texas A&M University.)

Les chercheurs coréens travaillent maintenant avec la NASA pour développer des véhicules volants sans fil de la taille d'un insecte avec des ailes de papier battantes. De tels véhicules pourraient voler dans des zones dangereuses pour les humains et tester les gaz dangereux – ou surveiller la surface de Mars depuis les airs.

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Les chercheurs, dirigés par Jaehwan Kim , professeur agrégé à l'université, a fabriqué la cellulose électriquement active en dissolvant de la pâte à papier, en la formant en feuilles et en la recouvrant d'une couche d'or comme électrode. Certaines zones du film de cellulose sont très ordonnées, tandis que dans d'autres zones, les brins de cellulose sont emmêlés comme des spaghettis. Le mouvement des ions à travers le papier – et le mouvement des brins de cellulose eux-mêmes, qui ont des extrémités négatives et positivement chargées – fait que le papier se plie en réponse à un courant électrique. La courbure est entraînée par les régions ordonnées, mais l'espace libre dans les régions désordonnées permet aux ions de circuler plus librement et ajoute à la capacité du papier à se déformer.

Les matériaux qui se déplacent en réponse au courant électrique sont appelés piézoélectriques. La cellulose de Kim fait partie d'une nouvelle classe de ces matériaux, appelés polymères électroactifs, qui ont suscité l'enthousiasme de la communauté scientifique pour leurs utilisations potentielles dans de nombreux domaines : muscles artificiels, capteurs chimiques, affichages visuels, pièces mobiles de robots et batteries.

La valeur du papier électriquement actif est qu'il est léger et qu'il présente une déviation [mouvement] élevée à basse tension par rapport aux polymères électroactifs traditionnels, explique Sang Choi, chercheur principal au NASA Langley Research Center. Lorsqu'une petite tension est appliquée au papier de Kim, il peut se déplacer sur une distance relativement grande ; par exemple, dans des expériences, la pointe d'une bande de papier électroactif de 30 millimètres de long a été déplacée de 4,2 millimètres. En effet, l'intensité du champ électrique nécessaire pour déplacer la pointe du papier jusqu'à son déplacement maximum est inférieure d'un à deux ordres de grandeur à celle requise par d'autres polymères électroactifs. Et le papier peut changer de forme rapidement, se déplaçant d'avant en arrière aussi vite qu'une fois toutes les 0,06 secondes.

Choi de la NASA s'intéresse au matériau de Kim car, comparé aux piézoélectriques conventionnels et à d'autres polymères électroactifs, il est très léger et nécessite très peu d'énergie. Ensemble, Choi et Kim conçoivent un petit véhicule volant avec des ailes en cellulose alimenté par des micro-ondes ambiantes. Choi dit que la NASA s'attend à ce que ces robots jouent un rôle important dans ses missions exploratoires à long terme. Par exemple, de petits robots avec des pièces mobiles en papier ou en d'autres matériaux pourraient voler bas au-dessus de la surface martienne pour surveiller sa topologie. Pourtant, il n'est pas clair que la cellulose puisse résister aux conditions extrêmes de l'espace.

Les films de cellulose que Kim a fabriqués jusqu'à présent ne peuvent pas exercer beaucoup de force - un must pour les applications robotiques. Il travaille donc avec Zoubeida Ounaies , professeur adjoint d'ingénierie aérospatiale à la Texas A&M University, pour renforcer cette cellulose intelligente. Ounaies ajoute à la cellulose dissoute des nanotubes de carbone, appréciés pour leur haute conductivité électrique et leur résistance. Le mélange est encore à l'étude, mais l'idée est que des films de brins de cellulose intimement enchevêtrés avec des nanotubes de carbone peuvent exercer plus de force que les films de cellulose pure.

La cellulose est bon marché et facilement disponible - le film de Kim peut même être fabriqué en traitant du papier disponible dans le commerce. En comparaison, le polymère électriquement actif le plus couramment utilisé, la polyaniline, coûte 68 $ le gramme, selon Victoria Finkenstadt , un chimiste de recherche au service de recherche agricole de l'USDA. Bien que la robustesse et la résistance de la cellulose n'aient pas encore été démontrées, elle peut également s'avérer être un bon matériau pour les muscles artificiels utilisés en robotique, explique Finkenstadt.

Ces matériaux peuvent nous donner une locomotion [robot] dont nous n'avons jamais rêvé, dit Kwang J. Kim , professeur agrégé de génie mécanique à l'Université du Nevada à Reno (qui n'était pas impliqué dans la recherche sur la cellulose). Mais Kim dit que le domaine des polymères électriquement actifs est encore jeune et que les chercheurs développent toujours des applications. Dans quelques années, des technologies intéressantes sortiront, prédit-il.

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