Une peau électrique qui rivalise avec la vraie chose

La sensibilité tactile de la peau humaine est difficile à recréer, en particulier sur de grandes surfaces flexibles. Mais deux groupes de recherche californiens ont fabriqué des dispositifs de détection de pression qui font considérablement progresser l'état de l'art.

Peau sensible: Un nouveau capteur tactile peut détecter le toucher doux d'un insecte en train de se poser.

L'une, réalisée par des chercheurs de l'Université de Stanford, est basée sur l'électronique organique et est 1 000 fois plus sensible que la peau humaine. Le second, réalisé par des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley, utilise des réseaux intégrés de transistors à nanofils et nécessite très peu d'énergie. Les deux appareils sont flexibles et peuvent être imprimés sur de grandes surfaces ; ils sont décrits cette semaine dans des articles séparés dans le journal Matériaux naturels .

Les surfaces très sensibles pourraient aider les robots à ramasser des objets délicats sans les casser, donner aux prothèses un sens du toucher et donner aux chirurgiens un contrôle plus fin sur les outils utilisés pour la chirurgie mini-invasive. Notre objectif est d'imiter la peau humaine, dit Zhenan Bao , professeur de génie chimique à Stanford. La peau humaine réagit rapidement à la pression et peut détecter des objets aussi petits qu'un grain de sable et légers qu'un insecte.

Le cœur de l'appareil de Bao est constitué d'un polymère transparent contenant du silicium appelé PDMS. La capacité de ce matériau à stocker des charges est directement liée à son épaisseur. Il y a quelques années, des chercheurs dirigés par Takao Someya à l'Université de Tokyo a profité de cette propriété, en utilisant le PDMS comme couche isolante dans des transistors organiques flexibles qui servaient de capteurs de pression. Mais ces capteurs étaient limités : lorsqu'elles sont compressées, les molécules de PDMS changent de conformation et il leur faut du temps pour revenir à leur état d'origine.

Bao a résolu ce problème en modelant le matériau polymère avec des réseaux de micropiliers qui se dressent à partir de la surface tactile. Cette conception permet au matériau de fléchir et de reprendre rapidement sa forme d'origine, ce qui signifie qu'il est possible de prendre des mesures de pression en succession rapide. La microstructuration améliore également la sensibilité du dispositif. La pression la plus douce que la peau humaine puisse détecter est d'environ un kilopascal ; Les appareils de Bao peuvent détecter des pressions 1000 fois plus douces.

Cette approche peut être utilisée pour fabriquer des matériaux flexibles avec des techniques d'impression peu coûteuses, mais le dispositif résultant nécessite des tensions élevées pour fonctionner. Ali Javey , professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie à Berkeley, a construit des capteurs tactiles de faible puissance basés sur des réseaux de transistors à nanofils inorganiques. Les transistors sont disposés sous, et connectés à, une couche d'un caoutchouc conducteur disponible dans le commerce qui contient des nanoparticules de carbone. Lorsque le caoutchouc est comprimé, sa résistance électrique change, ce qui peut être détecté par les transistors. Les nanofils sont utilisés comme électronique active pour faire fonctionner le capteur tactile sur le dessus, explique-t-il.

Les transistors à nanofils offrent un fonctionnement à basse tension et des vitesses de commutation rapides dans une surface flexible. Alors que les appareils de Bao nécessitent environ 20 volts pour fonctionner, ceux de Javey ont besoin de moins de cinq volts.

Javey a fabriqué des réseaux de capteurs d'environ 50 centimètres carrés. Bao a construit des réseaux circulaires d'un peu plus de 10 centimètres de diamètre. Les deux chercheurs affirment que la taille de leurs appareils n'est limitée que par les outils du laboratoire - dans le cas de Javey, la taille de l'imprimante à contact et dans le cas de Bao, la taille du moule utilisé pour façonner le PDMS.

La peau artificielle pourrait offrir des avantages majeurs pour la manipulation robotique, selon Matei Ciocarlie , chercheur chez Willow Garage, une entreprise de robotique personnelle basée à Menlo Park, en Californie. Lorsqu'un robot manipule un objet, cet objet peut souvent être caché des caméras et autres capteurs, de sorte que la détection tactile peut fournir une rétroaction utile. La détection tactile peut également aider les robots à éviter les obstacles et à localiser des objets dans des environnements difficiles. La peau artificielle doit être capable de couvrir de grandes surfaces irrégulières sur le robot, avoir une sensibilité et une plage dynamique adéquates, autant de défis très importants que ces nouvelles technologies promettent de relever, explique Ciocarlie.

Les nouveaux dispositifs électroniques à peau représentent une avancée considérable dans l'état de l'art en termes de consommation d'énergie et de sensibilité, explique John Boland , professeur de chimie au Trinity College de l'Université de Dublin. La véritable avancée, cependant, est de passer d'une géométrie plate à un dispositif flexible qui pourrait être utilisé pour fabriquer quelque chose sous la forme d'un doigt humain, dit-il.

Les outils chirurgicaux dotés de capteurs tactiles très sensibles pourraient donner aux médecins un meilleur contrôle sur la force qu'ils utilisent lors des chirurgies mini-invasives. Et la peau électronique flexible de grande surface pourrait se conformer aux courbes des futurs appareils prothétiques. Les prothèses d'aujourd'hui sont rudimentaires - elles peuvent saisir mais ne fournissent aucun retour tactile, note Boland.

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