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Polymères électroactifs
À l'Institut de recherche sur les muscles artificiels de l'Université du Nouveau-Mexique, il y a de l'électricité dans l'air. Lorsque le directeur du laboratoire Mohsen Shahinpoor applique une tension à une main artificielle faite d'un composite polymère-métal, ses doigts se replient en un poing. Faites le tour du laboratoire et vous verrez des poissons robotisés nager, des ailes battre et des bras se soulever, tous gagnant leur muscle grâce à des polymères activés électriquement. Vous avez déjà vu des robots, mais ils ont quelque chose de différent. Ils regardent vivant .
Depuis le début des années 1990, les scientifiques et les ingénieurs des matériaux développent des polymères électroactifs à utiliser comme capteurs, actionneurs et muscles artificiels. Une tension appliquée modifie la composition ou la structure moléculaire du polymère de sorte qu'il se dilate, se contracte ou se plie. Le mouvement est plus fluide et plus réaliste que le mouvement généré par les dispositifs mécaniques : comme les muscles, les polymères sont flexibles, non gênés par la rigidité maladroite des engrenages et des roulements. Les scientifiques pensent qu'avec cette similitude avec le mouvement naturel, les polymères électroactifs pourraient révolutionner la robotique et les dispositifs biomédicaux. De tels matériaux pourraient permettre de concevoir des robots qui manœuvrent avec la grâce d'un humain, des jambes prothétiques qui bougent et se sentent réelles, et des systèmes de micro-administration implantables qui pompent en douceur et silencieusement les médicaments là où ils sont nécessaires.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de décembre 2002
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Jusqu'à récemment, cependant, les polymères électroactifs ont présenté des problèmes pratiques. Ils ont consommé trop d'énergie. Ils ne pouvaient pas générer assez de force. Et ils n'ont pas duré assez longtemps. Mais des chercheurs universitaires et industriels ont trouvé des moyens de rendre les polymères plus solides, plus robustes et plus efficaces. Ces améliorations, selon Yoseph Bar-Cohen, chercheur principal au Jet Propulsion Laboratory de la NASA et l'un des pionniers du domaine, permettront une mise en œuvre plus rapide des idées de science-fiction dans la réalité de l'ingénierie.
En septembre dernier, lors d'une percée qui pourrait conduire à des dispositifs médicaux de moindre puissance, Qiming Zhang et ses collègues de l'Université d'État de Pennsylvanie ont annoncé qu'ils avaient créé un actionneur électroactif qui nécessite un dixième de la tension nécessaire auparavant. L'avancée clé de Zhang : un composite polymère-semi-conducteur qui en a plus pour son argent et reste très flexible. Les avantages de cette classe d'appareils sont son rendement élevé et sa réponse rapide. Mais ce n'est que le début, dit Zhang. Il prédit que les produits pharmaceutiques basés sur cette technologie, par exemple de petites pompes à insuline portables alimentées par des batteries basse tension, pourraient être disponibles d'ici cinq ans.
Benjamin Mattes, PDG de Santa Fe Science and Technology, construit des muscles artificiels solides et durables à partir de polymères conducteurs qui se dilatent et se contractent en réponse aux changements du flux d'ions dans les matériaux. Ces polymères électroactifs génèrent des forces énormes à basse tension. Parce que les réactions chimiques décomposent le polymère, les versions antérieures étaient lentes et ne pouvaient survivre qu'à quelques cycles. Le dernier appareil de Mattes, cependant, bat les records précédents de vitesse et de durabilité. Sa structure coaxiale - de minuscules fibres enfilées dans un tube creux et englouties dans un électrolyte liquide - permet aux ions de s'écouler rapidement dans les fibres en réponse à la tension appliquée. Parce qu'il utilise un liquide ionique hautement stable et conducteur comme électrolyte, Mattes dit qu'il a réalisé des millions de cycles sans dégradation.
Grâce à de telles avancées dans la science des matériaux, les polymères électroactifs commencent à produire des dispositifs biomédicaux utiles. À l'Université du Nouveau-Mexique, Shahinpoor a démontré des muscles artificiels minces et durables qui peuvent soulever plusieurs fois leur propre poids. Shahinpoor utilise les matériaux pour développer des aides implantables telles qu'une pompe qui fonctionne comme un stimulateur cardiaque mécanique pour comprimer le cœur et un petit appareil qui corrige la vision en pressant doucement le globe oculaire. Son équipe commercialise les appareils par le biais d'une entreprise dérivée, Environmental Robots, à Albuquerque, au Nouveau-Mexique.
Cependant, il y a beaucoup de travail à faire avant que la technologie ne soit prête pour le marché. Pour réussir, dit Shahinpoor, l'entreprise devra s'assurer que les matériaux sont compatibles avec les tissus vivants et que leurs fonctions peuvent être contrôlées avec précision. Il devra également diviser par 10 les coûts de fabrication.
Bien que les cinq prochaines années devraient voir les polymères électroactifs utilisés comme composants dans les outils microchirurgicaux, les systèmes d'administration de médicaments et les aides correctives, de telles avancées ne sont peut-être qu'un début. Pour obtenir des robots et des prothèses plus réalistes, les scientifiques devront fabriquer des matériaux plus intelligents et plus interactifs. D'ici 10 ans, les chercheurs visent à développer des membres artificiels qui fournissent un retour d'information à l'utilisateur, des robots autonomes gracieux qui sont alimentés par des polymères de type musculaire, et même des combinaisons qui améliorent la force et l'endurance des soldats et du personnel de sauvetage. Si la recherche est couronnée de succès, la robotique peut vraiment prendre vie.