Pour les ingénieurs travaillant sur la robotique douce ou les dispositifs portables, la légèreté constitue un défi permanent : les matériaux plus lourds nécessitent plus d’énergie pour se déplacer et, dans le cas des dispositifs portables ou des prothèses, ils sont une Source d’inconfort. Les élastomères sont des polymères synthétiques qui peuvent être fabriqués avec une gamme de propriétés mécaniques, allant de la rigidité à l’extensibilité, ce qui en fait un matériau populaire pour de telles applications. Mais fabriquer des élastomères pouvant être façonnés en structures 3D complexes passant de la rigidité à l’élasticité était jusqu’à présent irréalisable.
” Les élastomères sont généralement moulés de telle sorte que leur composition ne puisse pas être modifiée en trois dimensions sur de courtes échelles. Pour résoudre ce problème, nous avons développé des DNGE : des élastomères granulaires à double réseau imprimables en 3D dont les propriétés mécaniques peuvent être modifiées à un degré sans précédent. “, expliquer Esther Amstaddirecteur du Laboratoire des Matériaux Souples à la Faculté des Sciences pour l’Ingénieur et Technologie de l’EPFL.
Eva Baur, doctorant au laboratoire d’Amstad, a utilisé des DNGE pour imprimer un prototype de « doigt », avec des « os » rigides entourés de « chair » flexible. Le doigt a été imprimé pour se déformer d’une manière prédéfinie, démontrant le potentiel de la technologie à rendre les appareils suffisamment flexibles pour se plier et s’étirer, tout en restant suffisamment fermes pour manipuler des objets.
Grâce à ces avantages, les chercheurs pensent que les DNGE pourraient faciliter la conception d’actionneurs, de capteurs et de dispositifs portables flexibles, exempts de joints mécaniques lourds et encombrants.
Deux réseaux élastomères, deux fois plus polyvalents
La clé de la polyvalence des DNGE réside dans l’ingénierie de deux réseaux élastomères. Premièrement, des microparticules d’élastomère sont produites à partir de gouttes d’émulsion huile dans eau. Ces microparticules sont placées dans une solution précurseur, où elles absorbent les composés élastomères et gonflent. Les microparticules gonflées sont ensuite utilisées pour fabriquer de l’encre imprimable en 3D, qui est chargée dans une bio-imprimante pour créer la structure souhaitée. Le précurseur est polymérisé dans la structure imprimée en 3D, création d’un deuxième réseau élastomère ce qui rigidifie l’ensemble de l’objet.
Alors que la composition du premier réseau détermine la rigidité de la structure, le second détermine sa résistance à la rupture, ce qui signifie que les deux réseaux peuvent être ajustés indépendamment pour obtenir une combinaison de rigidité, de ténacité et de résistance à la fatigue. L’utilisation d’élastomères plutôt que d’hydrogels – matériaux utilisés dans les approches de pointe – présente l’avantage supplémentaire de créer des structures qui ne contiennent pas d’eau, ce qui les rend plus stables dans le temps. Pour couronner le tout, les DNGE peuvent être imprimés à l’aide d’imprimantes 3D disponibles dans le commerce.
” La beauté de notre approche est que toute personne disposant d’une imprimante biologique standard peut l’utiliser », souligne Amstad.
L’une des applications potentielles les plus intéressantes des DNGE concerne les dispositifs de rééducation guidés par le mouvement, où la capacité de soutenir le mouvement dans une direction tout en le limitant dans une autre pourrait être très utile. Le développement de la technologie DNGE pourrait déboucher sur des prothèses, voire des guides de mouvements destinés à aider les chirurgiens. La détection de mouvements à distance, par exemple dans la récolte assistée par robot ou l’exploration sous-marine, est un autre domaine d’application.
La recherche a été publiée dans la revue Advanced Materials.
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