Super soldats

À la fin de l'année dernière, l'armée américaine est allée acheter de nouveaux uniformes. Il ne s'intéressait pas aux combinaisons de camouflage et aux drabs olive ou même aux meilleures versions de l'équipement de haute technologie porté par les troupes en Afghanistan. Ce que l'armée voulait, c'était un uniforme de combat léger capable d'arrêter les balles et les toxines, de surveiller la santé d'un soldat, de communiquer avec les commandants à distance, voire de permettre une force surhumaine. Mais malgré l'extravagance de cette vision, et même s'ils se tournaient vers les instituts de recherche universitaires pour obtenir de l'aide, les responsables de l'armée ont clairement exprimé un autre désir clé. Comme le rappelle le scientifique des matériaux du MIT, Edwin Thomas, ils ne voulaient pas que des papiers dans La science ou La nature . Ils voulaient de vrais trucs.

Les vraies choses sont exactement ce que les chercheurs du MIT ont présenté en janvier dernier à une équipe de l'armée en visite. L'ingénieur en mécanique Ian Hunter a passé une vidéo d'un morceau de ruban noir qui se contracte, un muscle artificiel en expansion et en contraction qui pourrait, dans un uniforme de combat, former un garrot ou augmenter la force des jambes. Le scientifique des matériaux Yoel Fink a montré des fils optiques chatoyants capables de réfléchir et d'absorber différentes longueurs d'onde de lumière avec une grande spécificité - une propriété qui pourrait être exploitée pour la communication infrarouge à distance qui pourrait, par exemple, permettre aux soldats de s'identifier silencieusement à leurs alliés la nuit. Les membres du corps professoral ont expliqué le fonctionnement d'un capteur microscopique que le chimiste du MIT, Tim Swager, avait construit, à seulement quelques molécules de large, qui pouvait sentir l'haleine d'un soldat à la recherche de signes chimiques de stress.

Cette histoire faisait partie de notre numéro d'octobre 2002

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Force

L'un des principaux objectifs du nouvel institut est de créer un uniforme de combat doté d'une force intégrée, la force nécessaire pour aider un soldat à soulever des objets lourds, à pomper des fluides de refroidissement à travers des canaux intégrés ou à se raidir autour d'une plaie qui saigne. Le ruban noir tremblant de Hunter est une indication précoce que les nanomatériaux pourraient être en mesure de fournir ce type de force.

Le ruban est constitué d'un polymère électroactif qui peut se déplacer ou changer de forme en réponse à un signal électrique. Les chercheurs envisagent depuis longtemps d'utiliser ces polymères, qui peuvent être 100 fois plus puissants que les muscles humains, en tant que muscles artificiels. Mais jusqu'à présent, ils se sont révélés peu pratiques en tant que machines musclées, en grande partie parce que leurs mouvements sont relativement lents et aussi parce qu'ils n'ont pu se contracter ou s'étendre que de quelques pour cent de leur longueur. Le muscle humain peut se contracter et se dilater de 20 pour cent.

Dans les laboratoires de Hunter et Swager, cependant, les chercheurs ont récemment travaillé ensemble pour faire de grands progrès vers un matériau avec une amplitude de mouvement suffisante pour être utile. La clé est une série de molécules qui fonctionnent comme des tiges et des charnières. Pivotant sur les charnières, les tiges se repoussent ou s'attirent lorsqu'une charge est appliquée ou retirée. En attachant des millions de ces tiges et charnières bout à bout comme des segments d'une règle pliante, les chercheurs ont pu créer des polymères qui s'allongent et se raccourcissent en réponse à des stimuli électriques. (voir Muscle moléculaire, ci-dessous) . Un film fait de ces polymères produit des mouvements musculaires. Au cours des derniers mois, explique Hunter, nous avons doublé l'amplitude des mouvements, approchant celle des cellules musculaires humaines.

Muscle moléculaire

Un polymère qui se contracte et se dilate autant que le muscle humain utilise des charnières et des tiges moléculaires. Les tiges se repoussent et s'attirent lorsqu'une charge est appliquée (en haut) et retirée (en bas). (Illustration de John MacNeill)

Cette augmentation de la capacité de dilatation et de contraction du polymère, combinée à sa force impressionnante - que les chercheurs n'ont pas encore mesurée mais qu'ils prévoient être dix fois supérieure à celle du muscle humain - pourrait éventuellement permettre un uniforme de combat incrusté de 1,4 kilogramme de matériau. soulever 80 kilogrammes à un mètre de haut. En d'autres termes, un soldat pouvait sans effort hisser une lourde pièce d'équipement ou même un camarade tombé au combat. Le problème : cela prendrait au moins une minute, explique John Madden, ingénieur électricien à l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, qui dirigeait jusqu'à récemment la recherche sur les polymères électroactifs dans le laboratoire de Hunter.

Donner à ces polymères électroactifs une vitesse utile est le prochain obstacle. Cela nécessitera de réduire la résistance électrique des matériaux, afin qu'une charge appliquée puisse faire son travail plus rapidement. Les chercheurs prévoient de réduire la résistance en incorporant des nanotubes de carbone - de longues molécules en forme de tuyau - dans les futures générations de matériaux. Certaines versions de nanotubes de carbone sont d'excellents conducteurs électriques qui pourraient fournir une charge dans tout le matériau beaucoup plus rapidement. Les groupes Hunter et Swager espèrent fabriquer des muscles artificiels aussi rapides que les muscles humains en cinq ans.

L'intégration du matériau musculaire avec le reste de la combinaison du soldat est le plus grand défi. Les polymères électroactifs doivent, par exemple, être câblés dans un système de distribution d'énergie et de signalisation ; le câblage conventionnel est tout simplement trop rigide pour le travail de raccordement d'un matériau qui se contracte et fléchit. Ainsi, au cours de la dernière année, Hunter et ses collègues ont développé des fils en forme de ruban faits de polymères flexibles électriquement conducteurs. Au lieu de fils de cuivre rigides entrant dans le tissu polymère », nous aurons des fils ressemblant à du tissu entrant dans le tissu, dit Hunter.

la communication

D'autres technologies seront nécessaires pour permettre à la combinaison de communiquer avec le monde extérieur. Plus tôt cette année, Fink du MIT a annoncé le développement de fils polymères enduits qui pourraient être exactement ce qu'il faut, permettant une communication silencieuse avec des alliés ou des commandants distants grâce à l'utilisation de la lumière visible ou infrarouge.

Les fils de Fink sont capables de réfléchir ou d'absorber sélectivement différentes longueurs d'onde de lumière, grâce à leur revêtement, qui incorpore de nombreuses couches ultrafines de deux matériaux transparents, l'un organique, l'autre inorganique. Les deux matériaux ralentissent la lumière à des vitesses différentes. Dans l'émeute de réflexions qui en résulte dans ces couches, certaines longueurs d'onde sont fortement réfléchies hors de la fibre et d'autres sont annulées. Les longueurs d'onde réfléchies dépendent de l'épaisseur des couches, qui peut aller de 100 à 1 000 nanomètres et peut être contrôlée avec précision.

Alors que la plupart des chercheurs en photonique travaillent sur des puces et d'autres gadgets pour les télécommunications optiques, le groupe de Fink est le premier à construire un fil photonique qui pourrait être transformé en textile, explique Eli Yablonovitch, ingénieur électricien à l'Université de Californie, Los Angeles, et pionnier des matériaux optiques. Une utilisation possible pour ces fils : une partie d'un uniforme de combat qui reflète fortement une signature spécifique de la lumière infrarouge ambiante. Pendant la confusion d'un échange de tirs nocturne, par exemple, un tel code à barres optique pourrait identifier un soldat comme un ami des autres troupes équipées de lunettes de vision nocturne réglées sur la bonne lumière réfléchie. Et l'équipe de Fink aimerait également trouver un moyen de régler ces matériaux à la volée, afin que la longueur d'onde puisse être modifiée électriquement (et à distance) au cas où un ennemi mettrait la main sur un uniforme.

Cela représente un défi particulier, dit Yablonovitch. Il existe de nombreuses solutions. Juste pas de bons. Ils ont du pain sur la planche pour le rendre pratique pour l'armée, dit-il.

Pour l'instant, le groupe de Fink va de l'avant avec plusieurs approches pour rendre les fibres optiques accordables. Une stratégie consiste à créer une sorte de support d'étirement qui pourrait tendre les fibres. La tension amincirait les couches, changeant la longueur d'onde réfléchie (voir Réglage fin, ci-dessous) . Une deuxième approche tire parti du fait que l'un des matériaux des couches - le triséléniure d'arsenic - ralentit la lumière à une vitesse différente en présence d'un champ électrique ; changez le champ et vous changez la réflexion de toute la fibre. Ces approches, dit Fink, pourraient produire une fibre accordable d'ici deux ans.

Réglage fin

Une coupe transversale montre les couches externes de matériaux optiques recouvrant un fil de polymère. L'épaisseur des couches détermine la façon dont la lumière est réfléchie.

Avant de: Si la longueur d'onde est différente de l'épaisseur des couches, la lumière peut passer à travers.

Après: L'étirement du fil pourrait affiner les couches afin que leur largeur corresponde à la longueur d'onde rouge. À chaque limite entre les couches, une certaine lumière rouge serait réfléchie (ligne interrompue) et une autre continuerait.

protection

Bien sûr, le travail primordial de l'uniforme est de protéger le soldat, et la capacité de sauter du danger ou de s'annoncer silencieusement aux alliés le ferait indirectement. Mais la vision de l'armée est celle d'un costume qui fournirait également une protection directe contre tout, des balles à l'anthrax. L'amélioration de la protection balistique est essentiellement théorique à ce stade, mais certains outils très réels contre les attaques biologiques et chimiques sont déjà en main.

L'une de ces technologies est basée sur des molécules polymères hautement ramifiées appelées dendrimères. En modifiant les extrémités des branches d'un dendrimère pour que chacune d'elles adhère à une molécule dangereuse et la rende inoffensive, les chercheurs de l'armée ont déjà créé une substance protectrice avec un grand pouvoir d'absorption pour son poids. Mais jusqu'à présent, ils n'ont pu utiliser la substance qu'en la mélangeant à une crème semblable à un écran solaire. Le problème avec l'ajout de cette technologie à la combinaison d'un soldat est que les dendrimères ne collent pas facilement les uns aux autres et sont donc difficiles à former en un matériau stable qui résisterait aux abus d'un champ de bataille et d'une machine à laver.

Pour aider à fabriquer un matériau plus robuste, l'ingénieur chimiste du MIT, Paula Hammond, a conçu des dendrimères avec des queues. Ces queues, plusieurs fois plus longues que les branches des dendrimères, ont tendance à s'emmêler les unes aux autres, gardant les molécules verrouillées ensemble sans empêcher les branches de faire leur travail. C'est comme un système racinaire étendu pour une forêt d'arbres moléculaires, et cela pourrait permettre aux dendrimères ancrés de former un film protecteur résistant. Ces technologies n'en sont qu'à leurs balbutiements. Nous pouvons les prendre et commencer à les incorporer dans les tissus et les revêtements, dit Hammond.

Les chercheurs du MIT travaillent également sur des technologies qui pourraient aider à surveiller la santé d'un soldat à distance, quels que soient les dangers auxquels il pourrait être confronté. Des capteurs intégrés qui détectent les changements dans la chimie du corps, par exemple, pourraient aider à déterminer si un soldat tombé est grièvement blessé ou peut attendre de l'aide. De tels capteurs devraient être extrêmement sensibles mais aussi robustes et simples à utiliser.

Et Swager a fait un bon premier pas. En utilisant des polymères spécialement conçus comme détecteur, Swager a récemment développé un appareil pour détecter les concentrations d'oxyde nitrique, un produit chimique présent dans l'haleine humaine. Pics d'oxyde nitrique lorsque le corps est stressé (voir Détection de la santé, ci-dessous) . Prise seule, une mesure d'oxyde nitrique pourrait ne pas tout dire, mais le capteur est un premier élément qui pourrait faire partie des moyens d'évaluer l'état physiologique du soldat, dit Swager.

Détection de la santé

Un capteur qui utilise un polymère électriquement conducteur pourrait détecter directement les concentrations d'oxyde nitrique dans l'haleine d'un soldat. Les atomes de cobalt dans le polymère se lient et libèrent des molécules d'oxyde nitrique, provoquant des fluctuations de la résistance du polymère, qui se trouve entre les électrodes. (Illustration de John MacNeill)

Le détecteur d'oxyde nitrique utilise des fils polymères nanoscopiques capables de conduire l'électricité. Lorsque l'oxyde nitrique se lie au polymère, il produit un changement de résistance électrique qui peut être facilement détecté. De plus, les molécules d'oxyde nitrique tombent rapidement du capteur, donnant à l'appareil la possibilité de fournir des mesures continues de la concentration du produit chimique.

Bien qu'il ne s'agisse que d'un prototype aujourd'hui, l'appareil de Swager pourrait éventuellement être incorporé dans un masque ou le tissu d'une combinaison de soldat pour détecter d'autres produits chimiques - tels que les hydrocarbures et les cétones - qui peuvent être des indicateurs de stress ou de maladie, ou pour détecter des agents biologiques et chimiques.

L'intégration

Même si Swager et les autres chercheurs de l'institut continuent de produire de tels nouveaux matériaux et dispositifs, ils réfléchissent déjà à ce qui sera finalement leur plus grand défi : faire fonctionner toutes leurs inventions ensemble dans une combinaison pouvant être produite en série. Ce sera un problème de systèmes et d'intégration que nous n'avons jamais vu auparavant, dit Swager.

C'est là que DuPont pourrait vous aider. L'entreprise a des décennies d'expérience dans le développement de matériaux ultrarésistants comme le Kevlar, utilisé pour les gilets pare-balles. Maintenant, cela aidera à créer de nouveaux processus pour intégrer plusieurs nanomatériaux dans un seul textile. Un problème : tous les polymères ne sont pas compatibles. Ce ne sont pas les mêmes et ils ne se comportent pas de la même manière, explique Wayne Marsh, directeur de recherche chez DuPont Central Research and Development à Wilmington, DE. Certains sont fabriqués de manière très différente ; le même processus pourrait dégrader un polymère tout en en formant un autre. Pour concilier ces différences, il faudra peaufiner la chimie des polymères ou ajouter des revêtements pour les protéger les uns des autres. Dans l'ensemble, c'est vraiment un truc de pointe, dit Thomas. C'est un peu comme Jack Kilby de Texas Instruments au début des années 50, qui envisageait de ne fabriquer que des dizaines ou des centaines de transistors sur une seule puce de silicium. Vous devez dire, comment ferions-nous cela?

Les militaires de l'armée et la communauté médicale civile ont de grands espoirs que Thomas et ses collègues du MIT trouveront la réponse, en découvrant non seulement comment perfectionner de nouveaux matériaux et dispositifs, mais aussi comment les associer avec des résultats révolutionnaires. Mais ils sont réalistes. Je ne sais pas si tout cela va donner ce que je veux, quand je le veux, et le faire à un prix abordable, dit Andrews de l'armée.

Bien sûr, le nouvel institut ne produira pas l'uniforme de combat entièrement intégré dans cinq ans. Au lieu de cela, le succès sur cette échelle de temps se traduira par un gilet pare-balles beaucoup plus léger ou un matériau optique ami ou ennemi robuste, explique Thomas. Une mesure du succès sera d'obtenir l'attention et la confiance des militaires pour qu'ils croient en l'utilisation de la nanotechnologie pour le soldat individuel, dit-il. Le grand succès sera si nous mettons réellement quelque chose de tangible entre les mains d'un soldat. Ce ne sera pas facile. Mais étant donné l'avance de l'institut sur le développement de matériaux, l'armée américaine a au moins une chance de se battre pour obtenir l'uniforme qu'elle recherche.

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