Les muscles artificiels fléchissent pour la première fois : innovation en matière de polymères ferroélectriques en robotique

Par Penn State University8 juillet 2023

Actionnement de polymères ferroélectriques piloté par chauffage Joule. Crédit : Qing Wang

Un nouveau polymère ferroélectrique qui convertit efficacement l'énergie électrique en contrainte mécanique a été développé par des chercheurs de Penn State. Ce matériau, qui présente un potentiel d'utilisation dans les dispositifs médicaux et la robotique, surmonte les limitations piézoélectriques traditionnelles. Les chercheurs ont amélioré les performances en créant un nanocomposite polymère, réduisant considérablement l'intensité du champ moteur nécessaire, élargissant ainsi les applications potentielles.

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. Les 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 la revue 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, et 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 ses propriétés telles que sa forme, les rendant ainsi utiles comme actionneurs.

"Potentiellement, nous pouvons désormais disposer d'un type de robotique douce que nous appelons muscle artificiel."

— Qing Wang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux

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.

While many ferroelectric materials are ceramics, they also can be polymers, a class of natural and synthetic materials made of many similar units bonded together. For example, DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"DNA is a polymer, as is nylon. An advantage of ferroelectric polymers is they exhibit a tremendous amount of the electric-field-induced strain needed for actuation. This strain is much higher than what is generated by other ferroelectric materials used for actuators, such as ceramics./p>

Along with Wang, other researchers in the study include from Penn State Yao Zhou, postdoctoral scholar in materials science and engineering; Tiannan Yang, assistant research professor with the Materials Research Institute; Xin Chen, postdoctoral researcher in materials science and engineering; Li Li, research assistant in materials science and engineering; Zhubing Han, graduate research assistant in materials science and engineering; Ke Wang, associate research professor with the Materials Research Institute; and Long-Qing Chen, Hamer Professor of Materials Science and Engineering. From North Carolina State UniversityFounded in 1887 and part of the University of North Carolina system, North Carolina State University (also referred to as NCSU, NC State, or just State) is a public land-grant research university in Raleigh, North Carolina. NC State offers a wide range of academic programs and disciplines, including the humanities, social sciences, natural sciences, engineering, business, and education. It is known for its strong programs in engineering, science, and technology and is a leader in research and innovation. It forms one of the corners of the Research Triangle together with Duke University in Durham and The University of North Carolina at Chapel Hill. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"North Carolina State University, other researchers in the study include Hancheng Qin, graduate research assistant in physics; Bing Zhang, graduate student in physics; Wenchang Lu, research professor in physics; and Jerry Bernholc, Drexel Professor in Physics. From Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China, other researchers in the study include co-corresponding author Yang Liu, a former postdoctoral scholar in materials science and engineering at Penn State, now a professor of materials science and engineering./p>