Inspiré des papillons : une propulsion intelligente pour les robots du futur
Des micro-spirales de pentoxyde de vanadium contrôlables magnétiquement peuvent déplacer 30 fois leur propre poids
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Des chercheurs de l'université de Stuttgart et de l'Institut Max Planck de recherche sur les solides ont mis au point de minuscules rouleaux pouvant être déroulés et enroulés de manière contrôlée à l'aide d'un aimant. Ils se sont inspirés de la trompe des papillons. Ces matériaux intelligents permettent de développer des technologies d’entraînement plus efficaces pour la micro-robotique et la robotique souple, un domaine de recherche d’une grande importance économique. Les résultats ont été publiés dans la revue Advanced Materials.
Les nouveaux systèmes robotiques font de plus en plus souvent la une de l’actualité : les microrobots sont des robots extrêmement petits pouvant trouver des applications dans des domaines tels que la médecine et l’industrie. Parallèlement, le domaine de la robotique souple – qui repose sur des matériaux flexibles et adaptables – progresse afin de rendre les robots plus adaptables et plus sûrs. Tout comme en robotique (macroscopique), les actionneurs doivent également contrôler les mouvements ou les préhenseurs en micro-robotique et en robotique souple. Cependant, comme les systèmes globaux en micro-robotique sont beaucoup plus petits et que, en robotique souple, ils doivent être élastiquement déformables, cela impose des exigences entièrement nouvelles aux composants d’un tel système. Ces exigences ne peuvent souvent être satisfaites qu’en utilisant de nouveaux matériaux. C’est là qu’est intervenue l’équipe dirigée par le Dr Zaklina Burghard, responsable de groupe à l’Institut des sciences des matériaux de l’université de Stuttgart.
« La micro-robotique et la robotique souple nécessitent des actionneurs qui permettent aux systèmes robotiques de saisir, de se déplacer et d’interagir avec leur environnement », explique Mme Burghard. « Nous n’avons pas simplement mis au point un énième actionneur. Nous avons créé une plateforme de fabrication qui transforme en quelques secondes des films fonctionnels ultra-minces en micro-rouleaux céramiques tridimensionnels programmables. Ces micro-rouleaux servent d’éléments d’actionnement compacts pour les futurs systèmes robotiques. » Cette plateforme technologique est le dernier résultat en date des recherches menées de longue date par Mme Burghard sur les systèmes de matériaux céramiques bio-inspirés.
Inspiré de la trompe du papillon
Ce n’est pas la fonction biologique du papillon qui a inspiré l’actionneur, mais l’élégant mouvement de roulement et de déroulement de sa trompe. Ce mouvement caractéristique a servi de point de départ au développement des nouveaux micro-rouleaux en céramique. Les chercheurs ont fabriqué des films ultra-minces de pentoxyde de vanadium contenant des nanoparticules d’oxyde de fer magnétiques, puis les ont transformés en micro-rouleaux tridimensionnels à l’aide d’un procédé mécanique simple.
Pour fabriquer les micro-rouleaux, les films céramiques ultra-minces sont délicatement décollés de leur substrat à l’aide d’une lame de rasoir. Agissant un peu comme un rabot miniature, la lame courbe continuellement le film libéré, le faisant s’enrouler en un micro-rouleau étroitement serré en quelques secondes. Le fait d’approcher un aimant du micro-rouleau provoque son déroulement rapide ; la suppression du champ magnétique lui permet de s’enrouler à nouveau.
Contrairement aux céramiques classiques, ces films ultra-minces ne sont pas cassants mais souples. Leur comportement mécanique inhabituel résulte d’une nano- et microstructure hiérarchique d’inspiration biologique, qui permet une déformation élastique tout en préservant l’intégrité structurelle du matériau céramique.
De minuscules micro-rouleaux en céramique soulèvent plus de 30 fois leur propre poids
Les chercheurs ont fabriqué des rouleaux de quelques micromètres de large qui, une fois enroulés, ne mesurent que quelques centaines de micromètres de diamètre. Déployés, ils peuvent atteindre 25 mm de long. Lors des expériences, ces rouleaux se sont révélés très résistants : même après 5 000 cycles, ils fonctionnent toujours parfaitement. Ces micro-rouleaux en céramique sont capables de déplacer plus de 30 fois leur propre poids. « Les micro-rouleaux peuvent également être disposés en réseaux programmables », explique Burghard. « Cela permet à plusieurs actionneurs de fonctionner simultanément et d’effectuer des tâches coordonnées telles que le levage, le transport ou la manipulation d’objets microscopiques. »
Le pentoxyde de vanadium a été choisi comme matériau modèle car il est au cœur des recherches de Burghard depuis de nombreuses années et constituait la base idéale pour développer cette nouvelle plateforme de fabrication.
« Pour moi, l’actionneur n’est qu’un début », déclare Burghard. « La véritable innovation réside dans la plateforme à rouleaux elle-même. Elle peut être transposée à de nombreux matériaux différents, qu’il s’agisse de couches minces organiques ou inorganiques, ouvrant ainsi la voie à des microsystèmes programmables entièrement nouveaux. » Au-delà de la micro-robotique et de la robotique souple, cette plateforme pourrait permettre la création de futurs composants électroniques, capteurs, dispositifs de stockage d’énergie et autres microsystèmes multifonctionnels adaptés à des applications spécifiques.
La nature comme modèle pour les matériaux du futur
Le développement des micro-rouleaux en céramique magnétique a débuté dans le cadre d’un projet de recherche financé par la DFG et dirigé par Burghard. Dans le cadre de ce projet, Semi Kim a mené les premières études expérimentales lors de son mémoire de master en 2023, jetant ainsi les bases de la présente étude. S’appuyant sur ces premiers résultats, l’équipe de recherche a encore élargi et affiné le concept.
Les recherches sont menées au sein du département des matériaux bio-inspirés de l’Institut des sciences des matériaux. « Dans notre département, nous combinons la nature, source d’inspiration, avec la science moderne des matériaux. Les étudiants apprennent comment les principes issus de la physique, de la chimie, de la modélisation informatique et de la conception de matériaux bio-inspirés sont intégrés pour développer la prochaine génération de matériaux fonctionnels et de microsystèmes programmables. Cette approche interdisciplinaire unique se reflète directement dans nos recherches », explique Burghard. « Nos travaux réunissent des concepts bio-inspirés, des nanomatériaux céramiques, des fonctionnalités magnétiques, la mécanique et des techniques de fabrication avancées au sein d’une plateforme unique destinée aux microsystèmes programmables de demain. »
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