Les chercheurs disent que ce polymère peut imiter le muscle humain

Feb 01, 2024

17 juillet 2023 Par Sean Whooley

Une illustration de l'actionnement de polymères ferroélectriques entraînés par chauffage Joule [Image fournie avec l'aimable autorisation de Qing Wang/Pennsylvania State University]

Un tel polymère pourrait offrir un potentiel d’application dans les dispositifs médicaux, la robotique avancée et les systèmes de positionnement de précision. L'équipe affirme que la contrainte mécanique représente une propriété importante pour un actionneur. Traditionnellement, ces matériaux d'actionneurs étaient rigides, mais les matériaux souples comme les polymères ferroélectriques offrent plus de flexibilité et d'adaptabilité à l'environnement.

Selon un article publié sur le site Web du PSU, la recherche a montré le potentiel de ces polymères pour surmonter les limites des composites polymères piézoélectriques traditionnels. Cela pourrait permettre des actionneurs souples avec des performances de déformation et une densité d'énergie mécanique améliorées.

"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.

Les chercheurs affirment que les matériaux utilisés dans cette recherche démontrent une polarisation électrique spontanée avec une charge électrique externe. Les charges positives et négatives des matériaux se dirigent vers des pôles différents. La déformation de ces matériaux pendant cette transition de phase peut complètement modifier leurs propriétés telles que leur forme. Cela rend les polymères utiles comme actionneurs.

Une utilisation courante concerne les imprimantes à jet d’encre. La charge électrique prend la forme d'un actionneur pour contrôler les buses qui déposent l'encre sur le papier.

Les chercheurs affirment que le polymère présente une énorme quantité de contrainte induite par un champ électrique, nécessaire à son actionnement. Combinés à des niveaux élevés de flexibilité, un faible poids et un coût réduit, ils offrent une option à fort potentiel dans le domaine de la robotique douce.

"Dans cette étude, nous avons proposé des solutions à deux défis majeurs dans le domaine de l'actionnement des matériaux souples", a déclaré Wang. « La première consiste à améliorer la résistance 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.

L’équipe pensait que la solution pour améliorer les performances du polymère ferroélectrique se présentait sous la forme d’un nanocomposite. En incorporant des nanoparticules dans un type de polymère – le fluorure de polyvinylidène – les chercheurs ont créé un réseau interconnecté de pôles au sein du polymère. Ce réseau a permis une incitation à une transition de phase ferroélectrique à des champs électriques beaucoup plus faibles par rapport aux exigences normales.

En utilisant une méthode électrothermique utilisant le chauffage Joule, l’équipe a induit la transition de phase dans le polymère nanocomposite. Cela ne nécessitait que moins de 10 % de l’intensité d’un champ électrique généralement nécessaire au changement de phase ferroélectrique.

"En général, cette déformation et cette force dans les matériaux ferroélectriques sont corrélées les unes aux autres, dans une relation inverse", a déclaré Wang. « Nous pouvons désormais les intégrer dans un seul matériau et nous avons développé une nouvelle approche pour le piloter en utilisant le chauffage Joule. Puisque le champ de conduite sera beaucoup plus faible, inférieur à 10 %, c’est pourquoi ce nouveau matériau peut être utilisé pour de nombreuses applications qui nécessitent un faible champ de conduite pour être efficace, comme les dispositifs médicaux, les dispositifs optiques et la robotique douce.