En novembre, des chercheurs de l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) ont publié une étude expliquant comment les polymères à mémoire de forme peuvent être le catalyseur de la production de matériaux adaptables qui reprennent leur forme d’origine une fois chauffés, que nous ont vu avant. L’équipe a utilisé l’impression 3D, la conception programmable et des métamatériaux thermo-viscoélastiques dans l’étude, et la professeure Kristina Shea, avec son doctorant Tian (Tim) Chen, a développé des bandes de polymère à mémoire de forme imprimables en 3D pour l’expérience.

Transformation de forme des structures actives. [Image: ETH Zurich, 2017]

Désormais, le professeur Shea et son équipe se sont associés à des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) pour utiliser ces bandes dans une nouvelle étude de preuve de concept sur l’impression 3D et la robotique douce. L’équipe de recherche a créé un mini-sous-marin imprimé en 3D qui n’a pas besoin de propulseur, d’alimentation ou de moteur pour se déplacer.

Le professeur Shea a expliqué: « Le résultat le plus important de notre travail est que nous avons développé un nouveau système de propulsion prometteur qui est entièrement imprimé en 3D, réglable et fonctionne sans source d’alimentation externe. »

L’équipe a développé un nouveau concept de propulsion pour les robots de nage, où ils utilisent les fluctuations de température dans l’eau pour pagayer. Une imprimante 3D multimatériale a été utilisée pour créer un mini-sub de 7,5 cm, qui est équipé de palettes qui sont activées avec un élément de propulsion bistable. Cet élément est déclenché par deux des polymères à mémoire de forme du professeur Shea et Chen qui se dilatent dans l’eau chaude pour agir comme des muscles pour alimenter le robot.

Un article sur le sous-marin imprimé en 3D intitulé « Utilisation de la bistabilité pour la propulsion directionnelle de robots souples et non liés » a récemment été publié dans la revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences in the United States of America). Les co-auteurs incluent Chen, Osama R. Bilal de Caltech, le professeur Shea et Chiara Daraio de Caltech.

Le résumé se lit comme suit: «Dans la plupart des systèmes robotiques à grande échelle, la propulsion et les commandes sont activées par une attache physique ou des composants électroniques complexes et des batteries à bord. Une attache simplifie le processus de conception mais limite l’amplitude de mouvement du robot, tandis que les commandes et les blocs d’alimentation intégrés sont encombrants et compliquent le processus de conception. Nous présentons ici un principe de conception simple pour un robot de nage doux et non lié avec une propulsion directionnelle préprogrammée sans batterie ni électronique à bord. Le mouvement est réalisé au moyen d’actionneurs qui utilisent les grands déplacements d’éléments bistables déclenchés par les changements de température ambiante. Animés par des muscles en polymère à mémoire de forme (SMP), les éléments bistables réactivent les nageoires du robot. Nos robots sont fabriqués à l’aide d’une imprimante 3D disponible dans le commerce en une seule touche. Comme preuve du concept, nous montrons la capacité de programmer un navire capable de livrer de manière autonome une cargaison et de revenir au point d’insertion. « 

Visualisation d’un simple mini-sous-marin avec deux pagaies. [Image: Tim Chen, ETH Zurich)

One of the main challenges in soft robotics is integrating actuation, control, propulsion, and sensing in one mechanism. The team’s soft robotics design principle is a material-based approach that can swim untethered, and complete pre-programmed tasks, like deliver cargo and follow specific routes, without any electronics, power sources, or controllers on board.

If the water the mini-sub is floating in is heated, the expanding muscles cause the bistable element to snap, which triggers a paddle stroke. Each actuating element of the mini-sub can complete one paddle stroke before a necessary manual reprogramming, though in the future the researchers believe they can 3D print complex swimming robots that have several actuators. Instead of relying on controllers or power, the robot’s material and geometry define the force, timing, and directional motion of the paddle strokes.

Le robot imprimé en 3D actuel de l’équipe peut pagayer vers l’avant d’un seul coup, libérer une pièce de monnaie et revenir au point de départ avec un coup dans la direction opposée, et il fait tout cela simplement en détectant les changements de température dans l’eau. En modifiant la géométrie des muscles polymères à mémoire de forme, les chercheurs peuvent définir la séquence de déclenchement de l’impact – les fines bandes de polymère réagissent plus rapidement car elles chauffent plus rapidement dans l’eau chaude.

À l’avenir, ce robot souple de nage imprimé en 3D pourrait être développé pour fabriquer des navires de faible puissance pour explorer l’océan; en outre, les chercheurs pourraient également utiliser des polymères à mémoire de forme qui répondent à des facteurs environnementaux tels que la salinité ou l’acidité au lieu de la température.

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[Source: ETH Zurich]



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