Robotique
Muscles à ultrasons : le futur de la robotique souple
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Construire des muscles contrôlés par le son
Pendant la majeure partie de l’histoire, l’énergie mécanique était fournie par les muscles, qu’ils soient humains ou animaux. Ce n’est qu’avec le début de la Révolution industrielle que l’énergie du vent (moulins à vent), de l’eau (moulins à eau et barrages) et de la combustion (machines à vapeur, moteurs à combustion) a pu être exploitée.
Mais ces systèmes mécaniques étaient toujours quelque peu inférieurs au mouvement naturel, nécessitant des systèmes complexes et une maintenance pour obtenir une liberté de mouvement relativement médiocre en comparaison.
Cela reste un problème pour les robots, qui ont tendance à nécessiter des réseaux très complexes de moteurs électriques et des logiciels avancés pour rester debout. Le problème consiste généralement à créer un mouvement entièrement contrôlable et suffisamment flexible.
Ainsi, comme le muscle est une façon supérieure de générer du mouvement, les scientifiques ont cherché à créer une variante artificielle qui pourrait être alimentée par l’électricité. Jusqu’à présent, les matériaux proposés ont toujours présenté des lacunes en termes de performances, de coûts ou de méthode de fabrication.
Cela pourrait changer grâce à une nouvelle conception de muscle artificiel proposée par des chercheurs de l’ETH Zürich (Suisse), de l’Université de Münster (Allemagne) et de l’Université du Nebraska-Lincoln (États‑Unis).
Ils ont publié dans la prestigieuse revue scientifique Nature1, sous le titre “Muscles artificiels programmables entraînés par ultrasons”.
Comment fonctionnent les muscles pilotés par ultrasons
Les muscles fonctionnent en augmentant ou en diminuant la longueur du muscle, tirant sur l’os auquel ils sont attachés.
Les muscles artificiels ont jusqu’à présent tenté de reproduire cette idée avec plusieurs types de matériaux :
- Nanotubes de carbone
- Alliages à mémoire de forme
- Systèmes pneumatiques (air) ou hydrauliques
Ces systèmes souffraient tous d’un manque de fiabilité, de contrôle fin, d’une consommation d’énergie élevée ou de coûts trop importants.
« Les méthodes chimiques nécessitent souvent des carburants qui peuvent être toxiques, les systèmes basés sur la lumière souffrent d’une pénétration tissulaire limitée et d’un risque de dommages thermiques, et les systèmes magnétiques exigent du matériel encombrant tout en risquant un échauffement de Joule. »
Les chercheurs de cette étude ont emprunté une direction nouvelle et différente pour contrôler le muscle artificiel : le son.
Les avantages des ultrasons
Que ce soit pour des applications en robotique ou en implants biomédicaux, les ultrasons offrent l’avantage d’être une méthode de contrôle facile à créer et totalement non destructive.
Les ultrasons sont également sans fil, à distance, traversent sans danger les couches externes (y compris les tissus organiques) et possèdent une haute sélectivité spatiale (ciblage).
C’est également une technologie couramment utilisée à faible coût, y compris en milieu clinique.
En résumé, les ultrasons sont parfaits pour les applications biomédicales et in vivo, mais pourraient aussi être employés dans d’autres domaines comme la robotique, notamment la robotique dite souple.
Les ultrasons gagnent en popularité auprès des chercheurs, qui les utilisent pour alimenter sans fil des implants médicaux, pour bioprinter des tissus vivants, et pour le biomonitoring.
Matériaux à microbulles dans les muscles artificiels
Dans cette étude, les chercheurs ont créé un matériau contenant un réseau précisément fabriqué de microbulles, qui, lorsqu’il est exposé à la résonance adéquate des ultrasons, fait fléchir le matériau.
Source: Nature
En faisant varier la taille du réseau de microbulles, on peut modifier la fréquence ultrasonique à laquelle une section donnée du matériau réagit.
Source: Nature
Jusqu’à présent, la force générée par les ultrasons dans les muscles artificiels était trop faible pour des applications pratiques. Mais cette nouvelle conception est beaucoup plus puissante (7,6 μN/mm2), plaçant ce concept à l’avant‑garde des matériaux potentiels de muscles artificiels.
Un moule haute résolution a été créé avec des réseaux de micropiliers, gravés sur une plaquette de silicium par lithographie douce, afin de servir de moules négatifs pour des microcavités cylindriques.
Une fine couche de polydiméthylsiloxane (PDMS) a ensuite été appliquée par spin‑coating sur la plaquette, créant le matériau à microbulles souhaité.
Le matériau final a formé un muscle artificiel (3 cm × 0,5 cm × 80 μm), contenant plus de 10 000 microbulles uniformes dans des cavités (diamètre 40 μm, profondeur 50 μm).
Créer un mouvement contrôlé avec les ultrasons
Comme différentes parties du matériau réagissent à différentes fréquences, la modulation des ultrasons peut être utilisée pour créer un mouvement d’ondulation précisément contrôlé, par exemple. Les chercheurs ont également testé les interactions du matériau avec le monde réel, en l’utilisant pour piéger une larve de poisson, faire tourner une amande ou déplacer un brin d’herbe. Ils ont aussi démontré que la méthode était inoffensive pour les organismes vivants, sans chauffage ni effets négatifs des ultrasons.
Les chercheurs ont ensuite testé si le matériau pouvait être utilisé pour attacher et déplacer des tissus organiques. Pour ce faire, ils l’ont testé avec un cœur de porc. Les actionneurs contrôlés par ultrasons sont restés attachés et ont continué à bouger, transmettant la force au tissu.
Source: Nature
Ils ont également testé le potentiel du matériau pour la libération de médicaments, les ultrasons étant le déclencheur de la libération du matériau depuis la plaque à microbulles.
Déplacer des robots in‑vivo
Enfin, les chercheurs ont créé un « mini‑raie‑bot » dont les ondulations peuvent contrôler le déplacement dans un environnement liquide.
Source: Nature
Ils ont ensuite testé avec succès le déplacement du robot raie dans l’estomac et l’intestin d’un porc.
Après libération, le robot raie se propulse en avant à une vitesse initiale d’environ 0,8 fois la longueur du corps par seconde, démontrant la capacité du système à se déplacer à l’intérieur des organes internes d’un animal.
Source: Nature
Dans l’ensemble, ces expériences ont confirmé le potentiel du matériau pour une utilisation in vivo d’appareils sans fil et portables.
Applications
L’étude s’est concentrée sur les applications biomédicales potentielles, car il s’agit probablement de l’application la plus directe de cette technologie. La robotique souple est de plus en plus utilisée pour intégrer des matériaux employés en médecine, par exemple pour délivrer des médicaments anticancéreux ou d’autres traitements dans le bon organe.
Cette méthode peut également être étendue à des pièces plus grandes, jusqu’à l’échelle du centimètre au moins, et avec de nombreux degrés de liberté de mouvement.
A l’avenir, de tels muscles artificiels pourraient être employés pour la robotique, l’électronique flexible, les technologies portables, les prothèses, l’instrumentation biomédicale, etc.
Des améliorations supplémentaires pourraient également rendre ce concept encore plus puissant et utile :
- Il semble que des cavités trapézoïdales convergentes pourraient générer des vitesses de flux environ 3 fois plus fortes que les formes divergentes. Ainsi, l’optimisation géométrique et de densité pourrait créer des actionneurs avec des profils de déformation sur mesure.
- Une source sonore confocale pourrait obtenir une déformation plus forte et un ciblage plus précis d’une partie spécifique du muscle artificiel.
- Les hydrogels et les polymères biodégradables pourraient également être utilisés pour davantage d’applications biomédicales.
Glissez pour faire défiler →
| Secteur d’application | Exemple d’usage | Potentiel d’adoption |
|---|---|---|
| Robotique souple | Pinces flexibles et robots marcheurs | Élevé |
| Implants biomédicaux | Actionnement sans fil pour tissus internes | Très élevé |
| Libération de médicaments | Mécanismes de libération déclenchés par ultrasons | Élevé |
| Dispositifs portables | Patchs intelligents et systèmes de retour haptique | Moyen |
| Prothèses | Intégration de muscles artificiels pour un mouvement réaliste | Élevé |
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Source: Philips
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Source: Philips
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Étude référencée
1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Muscles artificiels programmables entraînés par ultrasons. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3
