Robotique souple : des métamatériaux imprimés en 3D qui se déforment à la demande

Les matériaux stimulables, et en particulier les matériaux souples et flexibles capables de se tordre, se plier, se déformer, se déplacer ou adapter leur forme de manière à accomplir des tâches, sont largement étudiés pour leurs applications potentielles dans de nombreux domaines comme les capteurs, la robotique souple ou les muscles artificiels. Pour ces derniers, l’idée est d’exploiter des changements réversibles de forme et de volume sous l’action de stimuli externes comme la température, la pression, l’humidité, la lumière ou encore un champ électrique ou magnétique. Des actionneurs souples ont par exemple été mis au point en dispersant dans une matrice polymère des particules d’un matériau actif particulier : des complexes de fer à transition de spin. Lorsqu’ils sont chauffés, ces complexes changent d’état et les particules augmentent brusquement de volume. En intégrant de telles particules dans un polymère souple, il est possible d’utiliser le changement de volume qui se produit à l’échelle moléculaire dans les complexes à transition de spin pour générer un mouvement à l’échelle macroscopique du matériau composite. 

Pour amplifier cette effet, l’équipe Matériaux Moléculaires Commutables du Laboratoire de chimie de coordination de Toulouse (CNRS) a synthétisé des nanoparticules de complexes de fer à transition de spin en forme de bâtonnets. Les disperser dans un polymère souple en les alignant toutes dans la même direction permet de concentrer la déformation dans une direction privilégiée, comme les fibres dans un muscle, pour obtenir effectivement un allongement macroscopique dans cette direction.

Mais l’équipe a cherché à pousser encore plus loin l’effet de déformation en associant ce composite souple actif qui se dilate fortement avec la température à un autre polymère plus rigide et qui se dilate moins. Une étude théorique de modélisation indique qu’en associant ces deux matériaux au sein d’une structure particulière, une sorte de treillis, on obtient un « métamatériau » qui atteint des déformations macroscopiques réversibles encore bien plus importantes et qui peuvent être soit une expansion soit une contraction. Ces prédictions ont été vérifiées expérimentalement.

Lorsque la température augmente, les deux matériaux ne se déforment pas de la même manière. Cette différence crée dans le métamatériau des contraintes internes qui se traduisent par un mouvement global. La manière dont les deux matériaux sont disposés dans la structure contrôle si le mouvement est une expansion ou une contraction. Les déformations observées peuvent atteindre jusqu’à 10 % d’allongement ou 8 % de contraction. Ces valeurs correspondent à des coefficients de dilatation thermique effectifs pour le métamatériau largement supérieures à ceux obtenus avec des structures similaires qui seraient uniquement faites de matériaux passifs. Le phénomène est réversible au cours de nombreux cycles de chauffage et de refroidissement.

Ces résultats, publiés dans la revue Advanced Materials, montrent qu’en combinant dans une architecture adaptée un matériau actif et un matériau passif, il est possible de contrôler finement la réponse mécanique à la température. Cette stratégie, qui peut être encore améliorée en jouant sur la composition des matériaux ou la géométrie des structures, ouvre la voie à des systèmes adaptatifs pour la robotique souple ou les dispositifs intelligents. 

Rédacteur : Anne-Valérie Foillard Ruzette