Pour les ingénieurs qui travaillent sur la robotique souple ou les dispositifs portables, la légèreté est un défi permanent : les matériaux plus lourds nécessitent plus d’énergie pour être déplacés et, dans le cas des dispositifs portables ou des prothèses, ils sont source d’inconfort. Les élastomères sont des polymères synthétiques qui peuvent être fabriqués avec une gamme de propriétés mécaniques, allant de la rigidité à l’extensibilité, ce qui en fait un matériau populaire pour de telles applications. Mais la fabrication d’élastomères pouvant être façonnés en structures 3D complexes passant de la rigidité à l’élasticité était jusqu’à présent irréalisable.
« Les élastomères sont généralement moulés de telle sorte que leur composition ne peut être modifiée dans les trois dimensions sur de courtes échelles de longueur. Pour résoudre ce problème, nous avons mis au point les DNGE : Des élastomères granulaires à double réseau imprimables en 3D dont les propriétés mécaniques peuvent être modifiées à un degré sans précédent », explique Esther Amstad, directrice du Laboratoire des matériaux mous de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL.
Eva Baur, doctorante dans le laboratoire d’Amstad, a utilisé des DNGE pour imprimer un prototype de « doigt », avec des « os » rigides entourés de « chair » flexible. Le doigt a été imprimé pour se déformer d’une manière prédéfinie, démontrant le potentiel de la technologie pour fabriquer des dispositifs suffisamment souples pour se plier et s’étirer, tout en restant assez fermes pour manipuler des objets.
Grâce à ces avantages, les chercheurs pensent que les DNGE pourraient faciliter la conception d’actionneurs, de capteurs et d’objets portables souples, dépourvus d’articulations mécaniques lourdes et encombrantes.
Deux réseaux élastomères, deux fois plus polyvalents
La clé de la polyvalence des DNGE réside dans l’ingénierie de deux réseaux élastomères. Tout d’abord, des microparticules d’élastomère sont produites à partir de gouttes d’émulsion d’huile dans l’eau. Ces microparticules sont placées dans une solution précurseur, où elles absorbent des composés élastomères et gonflent. Les microparticules gonflées sont ensuite utilisées pour fabriquer une encre imprimable en 3D, qui est chargée dans une bioimprimante pour créer la structure souhaitée. Le précurseur est polymérisé dans la structure imprimée en 3D, créant un second réseau élastomérique qui rigidifie l’ensemble de l’objet.
Alors que la composition du premier réseau détermine la rigidité de la structure, le second détermine sa résistance à la rupture, ce qui signifie que les deux réseaux peuvent être ajustés indépendamment pour obtenir une combinaison de rigidité, de ténacité et de résistance à la fatigue. L’utilisation d’élastomères plutôt que d’hydrogels – le matériau utilisé dans les approches de pointe – présente l’avantage supplémentaire de créer des structures qui ne contiennent pas d’eau, ce qui les rend plus stables dans le temps. Pour couronner le tout, les DNGE peuvent être imprimés à l’aide d’imprimantes 3D disponibles dans le commerce.
« La beauté de notre approche réside dans le fait que toute personne disposant d’une imprimante biologique standard peut l’utiliser », souligne Amstad.
L’une des applications potentielles les plus intéressantes des DNGE concerne les dispositifs de rééducation guidée par le mouvement, où la capacité de soutenir le mouvement dans une direction tout en le limitant dans une autre pourrait être très utile. Le développement de la technologie des DNGE pourrait déboucher sur des prothèses, voire sur des guides de mouvement destinés à aider les chirurgiens. La détection des mouvements à distance, par exemple dans le cadre de la récolte assistée par robot ou de l’exploration sous-marine, est un autre domaine d’application.
Les travaux de recherche ont été publiés dans la revue Advanced Materials.
N’oubliez pas que vous pouvez poster gratuitement les offres d’emploi de l’industrie de la FA sur 3D ADEPT Media ou rechercher un emploi via notre tableau d’offres d’emploi. N’hésitez pas à nous suivre sur nos réseaux sociaux et à vous inscrire à notre newsletter hebdomadaire : Facebook, Twitter, LinkedIn & Instagram !