Une équipe de chercheurs de Harvard a mis au point une technologie d’impression multimatériaux rotationnelle permettant de créer des filaments hélicoïdaux. Grâce à cette nouvelle approche, l’équipe a conçu et fabriqué des muscles artificiels et des treillis élastiques destinés à la robotique douce et aux applications structurelles.
« Notre plateforme de fabrication additive ouvre de nouvelles voies pour générer de la matière architecturée multifonctionnelle dans des motifs bioinspirés« , a déclaré Jennifer Lewis, titulaire de la chaire Hansjorg Wyss d’ingénierie bioinspirée au SEAS et auteur principal de l’étude.
Leur nouvelle tête d’impression se compose de quatre cartouches d’encre, chacune pouvant contenir des matériaux différents. Les encres sont ensuite acheminées par une buse complexe qui permet d’imprimer plusieurs matériaux simultanément. Lorsque la buse tourne et se déplace, les encres extrudées forment un filament avec des caractéristiques hélicoïdales intégrées.
« L’impression rotative multimatériaux nous permet de générer des filaments hélicoïdaux fonctionnels et des treillis structurels dont l’architecture est contrôlée avec précision et, en fin de compte, les performances« , a déclaré Natalie Larson, boursière postdoctorale au SEAS et premier auteur de l’étude.
En collaboration avec David Clarke, professeur de matériaux de la famille Tarr, l’équipe a imprimé des muscles artificiels sous la forme de filaments élastomères diélectriques hélicoïdaux pouvant se contracter sous l’effet d’une tension appliquée. Les électrodes conductrices forment des hélices entrelacées encapsulées dans une matrice élastomère souple. En réglant le degré d’enroulement de ces électrodes hélicoïdales, on peut programmer la réponse contractile de ces actionneurs.
L’équipe a également conçu des treillis structurels de différentes rigidités en intégrant des ressorts hélicoïdaux rigides dans une matrice souple et flexible, comme des ressorts métalliques dans un matelas mou. La rigidité globale du matériau peut être réglée en ajustant l’étanchéité des ressorts à l’intérieur de la matrice. Ces structures hélicoïdales réglables pourraient être utilisées pour fabriquer des articulations ou des charnières dans des systèmes robotiques souples.
La tête d’impression se compose de quatre cartouches d’encre, chacune pouvant contenir des matériaux différents. Les encres sont ensuite acheminées par une buse complexe qui permet d’imprimer plusieurs matériaux simultanément.
L’équipe souhaite ensuite exploiter les capacités de cette nouvelle méthode d’impression 3D pour créer des structures encore plus complexes. « En concevant et en construisant des buses avec des caractéristiques internes plus extrêmes, la résolution, la complexité et les performances de ces structures hiérarchiques bioinspirées pourraient être encore améliorées« , a déclaré Larson.
La recherche a été co-écrite par Jochen Mueller, Alex Chortos et Zoey Davidson à SEAS. Elle a été soutenue par la National Science Foundation dans le cadre du programme MRSEC (DMR- 2011754), la NSF Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future (DMREF-15-33985), le Vannevar Bush Faculty Fellowship Program, parrainé par le Basic Research Office for the Assistant Secretary of Defense for Research and Engineering par le biais de l’Office of Naval Research Grant N00014- 21-1-2958, et le GETTYLAB.
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