Un nouveau matériau ferroélectrique pourrait donner des muscles aux robots

Jan 04, 2024

Robotique et automatisation

Un nouveau type de polymère ferroélectrique exceptionnellement efficace pour convertir l'énergie électrique en contrainte mécanique est prometteur en tant que contrôleur de mouvement ou « actionneur » haute performance avec un grand potentiel pour des applications dans les dispositifs médicaux, la robotique avancée et les systèmes de positionnement de précision, selon une étude. équipe de chercheurs internationaux dirigée par Penn State.

La contrainte mécanique, c'est-à-dire la façon dont un matériau change de forme lorsqu'une force est appliquée, est une propriété importante pour un actionneur, c'est-à-dire tout matériau qui changera ou se déformera lorsqu'une force externe telle que l'énergie électrique est appliquée. Traditionnellement, ces matériaux d'actionneurs étaient rigides, mais les actionneurs souples tels que les polymères ferroélectriques affichent une flexibilité et une adaptabilité environnementale plus élevées.

La recherche a démontré le potentiel des nanocomposites polymères ferroélectriques pour surmonter les limites des composites polymères piézoélectriques traditionnels, offrant ainsi une voie prometteuse pour le développement d'actionneurs souples offrant des performances de déformation et une densité d'énergie mécanique améliorées. Ces actionneurs souples intéressent particulièrement les chercheurs en robotique en raison de leur résistance, de leur puissance et de leur flexibilité.

"Potentiellement, nous pouvons désormais disposer d'un type de robotique douce que nous appelons muscle artificiel", a déclaré Qing Wang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State et co-auteur correspondant de l'étude récemment publiée dans Nature Materials. « Cela nous permettrait de disposer d’une matière molle capable de supporter une charge élevée en plus d’une contrainte importante. Ce matériau serait donc davantage une imitation du muscle humain, proche du muscle humain.

Il reste cependant quelques obstacles à surmonter avant que ces matériaux puissent tenir leurs promesses : des solutions potentielles à ces obstacles ont été proposées dans l'étude. Les ferroélectriques sont une classe de matériaux qui démontrent une polarisation électrique spontanée lorsqu'une charge électrique externe est appliquée et que les charges positives et négatives des matériaux se dirigent vers des pôles différents. La déformation de ces matériaux pendant la transition de phase, dans ce cas la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique, peut complètement modifier leurs propriétés telles que leur forme, les rendant ainsi utiles comme actionneurs.

Une application courante d'un actionneur ferroélectrique est une imprimante à jet d'encre, où la charge électrique modifie la forme de l'actionneur pour contrôler avec précision les minuscules buses qui déposent de l'encre sur le papier pour former du texte et des images.

Bien que de nombreux matériaux ferroélectriques soient des céramiques, ils peuvent également être des polymères, une classe de matériaux naturels et synthétiques constitués de nombreuses unités similaires liées entre elles. Par exemple, l’ADN est un polymère, tout comme le nylon. Un avantage des polymères ferroélectriques est qu’ils présentent une énorme quantité de contrainte induite par le champ électrique nécessaire à l’actionnement. Cette contrainte est bien supérieure à celle générée par d'autres matériaux ferroélectriques utilisés pour les actionneurs, tels que la céramique.

Cette propriété des polymères ferroélectriques, associée à un niveau élevé de flexibilité, un coût réduit par rapport à d'autres matériaux ferroélectriques et un faible poids, présente un grand intérêt pour les chercheurs dans le domaine en pleine croissance de la robotique douce, de la conception de robots dotés de pièces flexibles et de l'électronique.

"Dans cette étude, nous avons proposé des solutions à deux défis majeurs dans le domaine de l'actionnement des matériaux souples", a déclaré Wang. "L'un est de savoir comment améliorer la force des matériaux souples." Nous savons que les matériaux à actionnement souple qui sont des polymères subissent les contraintes les plus importantes, mais ils génèrent beaucoup moins de force que les céramiques piézoélectriques.

Le deuxième défi est qu’un actionneur en polymère ferroélectrique nécessite généralement un champ d’entraînement très élevé, qui est une force qui impose un changement dans le système, tel qu’un changement de forme dans un actionneur. Dans ce cas, le champ moteur élevé est nécessaire pour générer le changement de forme du polymère nécessaire à la réaction ferroélectrique nécessaire pour devenir un actionneur.

La solution proposée pour améliorer les performances des polymères ferroélectriques consistait à développer un nanocomposite polymère ferroélectrique percolatif – une sorte d’autocollant microscopique fixé au polymère. En incorporant des nanoparticules dans le polymère fluorure de polyvinylidène, les chercheurs ont créé un réseau interconnecté de pôles au sein du polymère.