Robotique
« Sticky Metal » pourrait avoir des applications généralisées en robotique, stockage d’énergie et même solutions biotechnologiques
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Métal collant pour la robotique souple
Un problème auquel le développement en robotique continue de se heurter est la création de robots et de systèmes capables de gérer le monde réel. Cela nécessite souvent de la flexibilité et des pièces « souples », au lieu de constructions purement mécaniques.
Différentes approches sont expérimentées. Notamment, nous avons précédemment rapporté sur l’une: la création d’un nouveau matériau magnétique pour créer ce que l’on appelle la « robotique souple », que nous avons détaillée dans notre article “Magnetic Gel Capsules Could Advance Both Robotics and Medicine”.
Cependant, une autre approche consisterait à lier les parties métalliques et souples. Cela a historiquement été difficile, les jonctions métal-organique étant le principal problème.
Ce problème aurait pu être résolu par les chercheurs Wenhao Xu, Faraz A. Burni et Srinivasa R. Raghavan, travaillant à l’Université du Maryland, États‑Unis. Ils ont développé un type de « métal collant » capable de créer une jonction solide et durable avec la plupart des matériaux souples tels que l’hydrogel, les muscles et les plantes.
Comment fonctionne le métal collant
La découverte repose sur un nouveau principe que les chercheurs ont appelé électroadhérence dur–souple (EA).
Ils cherchent encore à expliquer pleinement son fonctionnement, mais voici ce qu’ils savent déjà.
Seuls certains métaux affichent les propriétés d’EA
Tous les métaux ne peuvent pas être utilisés pour l’EA. Les métaux qui le peuvent ont un potentiel de réduction positif, tandis que ceux qui ne le peuvent pas ont un potentiel de réduction négatif.
Les métaux qui n’adhèrent pas sont ceux qui s’oxydent d’abord à l’anode. Cette oxydation (électrolyse) du métal domine tout processus concurrent, ce qui explique l’absence d’adhérence.
À l’inverse, les métaux qui adhèrent sont relativement inertes, permettant aux chaînes polymères du réseau de gel de s’oxyder d’abord à l’anode.
Comment cela fonctionne-t-il ?
L’EA est créée lorsqu’un courant est appliqué au métal.
La théorie est que l’oxydation du matériau souple (gel ou autre) crée des liaisons chimiques entre le métal et les chaînes polymères. Ces liaisons chimiques forment une jonction solide entre le métal et le matériau souple, entraînant une adhérence forte.
Le processus peut également être inversé facilement en appliquant un courant inverse. Cela crée des conditions chimiques réductrices, qui « dissolvent » la liaison chimique et annulent l’adhérence.
Cette théorie est renforcée par des expériences montrant que tout changement sur l’hydrogel se produit uniquement à la surface de contact avec le métal.
Il semble également que la nature exacte et les caractéristiques de la liaison chimique varient en fonction des chimies respectives du métal et du matériau souple.
À quoi le métal collant peut-il coller ?
L’article scientifique publié se concentre principalement sur l’adhérence à différents types d’hydrogels, car ils constituent un bon matériau à modifier et à expérimenter.
Cependant, les principes peuvent être appliqués à de nombreux autres matériaux, y compris les muscles animaux ou même les tomates. En général, la seule exigence pour le matériau souple est qu’il soit un conducteur ionique, ce qui est le cas pour presque tous les tissus biologiques.
De façon tout aussi impressionnante, l’EA peut également se produire sous l’eau, où l’adhérence est très difficile à obtenir.
Applications potentielles des métaux collants
Prise robotique
La première et probablement la plus immédiate application de l’EA est le développement de meilleures pinces pour les robots. Saisir correctement les objets sans les laisser tomber ou les écraser en purée a toujours été un problème persistant pour les robots.
L’EA ne nécessite pas que le doigt du robot possède des doigts, des mains, des articulations ou d’autres formes complexes et spécifiques. Cela pourrait donc ouvrir la voie à des alternatives moins chères, plus efficaces et plus sûres aux méthodes actuellement utilisées.
Source: Corteva
Batteries
Des batteries efficaces et faciles à fabriquer sont très demandées par les véhicules électriques et la croissance des énergies renouvelables dans le mix énergétique. La plupart des batteries reposent sur la connexion de deux électrodes solides dures (métalliques ou en graphite) – anode et cathode – avec un électrolyte entre elles.
Très souvent, l’électrolyte est un gel dans un solvant ioniquement conducteur.
Ainsi, les chercheurs de l’Université du Maryland ont testé s’ils pouvaient utiliser l’EA pour créer un nouveau type de batterie.
Ils ont utilisé du cuivre et du zinc comme électrodes et ont réussi à créer une batterie de 0,9 V.
Il ne s’agissait que d’une preuve de concept réalisée par des spécialistes non spécialisés dans les batteries. Cependant, ils estiment que des batteries flexibles et rechargeables pourraient être créées en utilisant les mêmes principes. Cela pourrait ouvrir la voie à une nouvelle méthode de fabrication de batteries.
Robotique souple
Comme mentionné précédemment, les ingénieurs en robotique rêvent depuis longtemps de robots combinant des composants durs et souples, imitant la façon dont les animaux possèdent à la fois des os durs et des muscles et tissus souples.
Un test rudimentaire a été réalisé pour illustrer comment l’EA peut être utilisée à cette fin. Pour cela, un mélange de composants durs (plaques de graphite) et de composants souples (hydrogel) a été utilisé pour créer une « structure porteuse de charge dur–souple ».
En augmentant les charges, la structure a d’abord supporté la charge puis a commencé à se plier. Lorsque ce poids a été retiré, les piliers de gel se sont rétractés à leur état d’origine, et ainsi la dalle supérieure s’est déplacée vers le haut.
Les éléments durs seuls ne seront pas compressibles ou déformables, tandis que les éléments souples seuls pourraient être écrasés par une charge. La combinaison, en revanche, peut supporter une charge de manière flexible sans dommage.
En pouvant se comprimer et « repousser », un tel système pourrait être utilisé pour fabriquer des actionneurs et des robots capables d’interagir avec leur environnement de manière délicate.
Adhésif sous-marin
Coller quoi que ce soit dans un environnement riche en eau ou sous l’eau peut représenter un défi technique. Les liaisons adhésives sont souvent influencées par les molécules d’eau qui les entourent et sont plus faibles que nécessaire dans la plupart des cas.
Ici, l’adhérence est un phénomène électrochimique qui ne s’active que lorsque le gel et le métal sont mis en contact sous un courant. Comme l’EA repose sur une liaison chimique réelle, elle n’est pas affectée par l’eau environnante.
Prothèses et implants
Une autre utilisation potentielle du métal collant se trouve dans les applications biomédicales. La compatibilité du métal avec le corps humain a toujours été un problème lors de l’utilisation d’implants métalliques. Connecter le métal aux tissus souples sans les endommager est un processus difficile.
Si les implants ou prothèses, comme les remplacements de membres, pouvaient adhérer aux tissus souples, ils deviendraient beaucoup plus fonctionnels et pratiques à utiliser. Cela pourrait également améliorer de façon significative la qualité de vie des patients.
Image by RAEng_Publications from Pixabay
Et comme le processus est facilement réversible en induisant un courant électrique, les implants collants seraient également beaucoup plus faciles à remplacer ou à retirer.
Application avancée du métal collant
L’électroadhérence dur–souple ou EA est une découverte remarquable avec de nombreuses applications possibles.
Non seulement elle fonctionne avec pratiquement tous les gels ioniques et tissus organiques (presque tout ce qui contient de l’eau et des sels), mais elle peut également être utilisée avec des métaux de base bon marché comme l’étain, le cuivre et même le graphite. Grâce à ces matériaux à faible coût, toute application industrielle a une chance d’être compétitive.
Elle pourrait transformer complètement le domaine de la robotique, en commençant par de meilleures pinces, notamment pour les produits alimentaires comme la viande, les fruits et les légumes. Ensuite, elle permettrait la création de véritables robots souples qui combinent des parties dures et souples/élastiques.
Elle pourrait également permettre des liaisons beaucoup plus simples entre le corps et les prothèses et implants, nous rapprochant d’un pas de la véritable technologie cybernétique.
Enfin, elle pourrait avoir des applications au‑delà de la robotique et des prothèses, en créant potentiellement de nouveaux types de batteries ainsi que des adhésifs sous‑marins et réversibles.
