Maintenir la légèreté des robots souples ou des appareils portables est un défi permanent pour les ingénieurs : les matériaux plus lourds nécessitent plus d’énergie pour se déplacer et, dans le cas des appareils portables ou des prothèses, ils sont inconfortables. 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 jusqu’à présent, il était impossible de fabriquer des élastomères pouvant être transformés en structures 3D complexes allant du rigide au caoutchouteux.
« Les élastomères sont généralement moulés, ce qui ne permet pas de modifier leur composition en trois dimensions sur de courtes échelles. Pour éliminer ce problème, nous avons développé des DNGE : des élastomères granulaires à double réseau imprimables en 3D dont les propriétés mécaniques peuvent varier à un degré sans précédent », explique Esther Amstad, responsable du Laboratoire de matière molle à la Faculté de médecine. Sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL.
Doctorante dans le laboratoire d’Esther Amstad, Eva Baur a utilisé DNGE pour imprimer un prototype de « doigt », avec des « os » rigides entourés de « chair » moelleuse. Le doigt imprimé pourrait se déformer d’une manière prédéfinie, démontrant que cette technologie peut 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 scientifiques pensent que les DNGE pourraient faciliter la conception d’actionneurs, de capteurs et de dispositifs portables flexibles, exempts de joints mécaniques lourds et encombrants. Leurs recherches ont été publiées dans la revue Matériaux avancés.
Deux réseaux élastomères, deux fois plus de polyvalence
La clé de la polyvalence des DNGE réside dans la conception 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. Ensuite, les microparticules gonflées sont 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, créant un deuxième réseau élastomère qui rigidifie l’ensemble de l’objet.
Alors que la composition du premier réseau détermine la rigidité de la structure, le second définit sa ténacité. Autrement dit, les deux réseaux peuvent être ajustés indépendamment pour obtenir à la fois rigidité, ténacité et résistance à la fatigue. L’utilisation d’élastomères plutôt que d’hydrogels, utilisée dans les approches de pointe, présente l’avantage supplémentaire de créer des structures sans eau, les rendant ainsi plus stables dans le temps. De plus, les DNGE peuvent être imprimés à l’aide d’imprimantes 3D disponibles dans le commerce.
« L’intérêt de notre approche réside dans le fait qu’elle peut être utilisée par toute personne disposant d’une bio-imprimante standard », souligne Esther Amstad.
Les dispositifs de rééducation guidés par le mouvement pourraient être une application intéressante pour la DNGE. Dans de tels dispositifs, la capacité de soutenir le mouvement dans une direction tout en le limitant dans une autre pourrait s’avérer très utile. L’évolution de la technologie DNGE pourrait conduire à la création de prothèses, voire de guides de mouvements, pour aider les chirurgiens dans leur travail. La détection de mouvement à distance, par exemple dans la récolte assistée par robot ou l’exploration sous-marine, est un autre domaine d’application.
Selon Esther Amstad, le Soft Matter Lab travaille déjà sur les prochaines étapes du développement de ces applications en intégrant des éléments actifs, tels que des matériaux réactifs et des connexions électriques, dans les structures DNGE.
