Des chercheurs développent le composant manquant dans les textiles robotiques

Pendant des années, le problème de la robotique douce a été qu'une grande partie de celle-ci nécessite une sorte de pompe qui, jusqu'à présent, n'était disponible que sous des formes plus conventionnelles, non portables. Les capteurs, les actionneurs, ainsi que les dispositifs de stockage et de génération d'énergie, ont tous été développés sous la forme de fibres douces qui peuvent être tissées sans couture dans les vêtements. Cependant, les pompes souples qui ont été développées n'ont pas la puissance fluidique nécessaire pour les rendre réellement utiles et n'ont pas été fabriquées sous forme de fibres.

Rapportant leurs découvertes dans Sciences, Michael Smith, Vito Cacucciolo ainsi que Herbert Shea à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse ont développé une pompe hydraulique douce qui non seulement bat la puissance fluidique précédemment atteinte par un facteur dix, mais prend également la forme d'une fibre.

"L'actionnement hydraulique est intéressant car il est doux et souple, et vous pouvez le mettre sur le corps", explique Shea. Lui et ses collègues étaient largement motivés par des objectifs à long terme visant à développer un exosquelette doux et confortable que quelqu'un pourrait porter pour la rééducation ou le renforcement musculaire, par exemple, ou pour permettre à une personne à mobilité réduite de marcher.

La pompe à fibre fonctionne sur la base de l'électrohydrodynamique, un principe qu'elle partage avec un pompe extensible que le groupe de Shea a démontré en 2019. Alors que cette pompe avait des électrodes qui alternaient le long de l’intérieur d’un canal rempli de liquide comme des doigts entrelacés, la pompe à fibre contient des électrodes positives et négatives enroulées autour de l’intérieur d’un tube rempli de liquide. La différence de potentiel entre les électrodes ionise les molécules du fluide et les accélère dans le tube. À mesure que les molécules environnantes sont rattrapées par les molécules ionisées, le fluide monte dans le tube, générant une pression.

Le mécanisme de la pompe repose sur le maintien des électrodes en place à l’intérieur du tube de manière à ce qu’il y ait un contact direct entre elles et le fluide afin qu’elles puissent y injecter une charge. Bien que ce soit un défi, les chercheurs ont trouvé un moyen astucieux d’obtenir la géométrie requise en tordant le matériau du tube et les électrodes autour d’un mandrin.

"Toute mesure à laquelle vous pouvez penser pour mesurer une pompe s'améliore lorsque vous la transformez en fibre d'un facteur d'au moins 10", explique Smith, qui a développé la géométrie de l'enroulement, citant les améliorations de la pression, du débit, de l'efficacité et de la puissance. Ceci est en grande partie dû au pompage continu le long du tube que donne la structure hélicoïdale, ce qui conduit à un écoulement de fluide plus fluide, explique Shea.

La symétrie cylindrique réduit également l'impédance fluidique, tandis que les fils peuvent également fournir une distribution de champ plus ionisante que les électrodes plates. L’augmentation de la puissance fluidique fournie par l’appareil a été une bonne surprise pour les chercheurs, car – comme le souligne Smith – la pompe est très difficile à simuler avec précision en raison de toute la « physique couplée » impliquée.

Une sensation haptique

La pompe est encore loin de l’efficacité requise pour un exosquelette souple, mais les chercheurs ont démontré à quel point elle peut être efficace pour générer des stimuli haptiques – la sensation de toucher un objet. La sensation de bourdonnement que procure la frappe sur un écran tactile est un exemple quotidien d’haptique tactile, mais, comme le souligne Shea, « une grande partie de la façon dont nous percevons le monde est en réalité liée à la conductivité thermique ». Dans un monde virtuel, recréer ces expériences thermiques peut améliorer le sentiment d’immersion, mais cela s’avère difficile à mettre en œuvre. Les pompes à fibre peuvent faire circuler localement un fluide réfrigéré, créant des stimuli thermiques haptiques locaux sans avoir besoin d'un vaste ensemble de pompes et de vannes séparées.

Jun Zou est professeur au State Key Lab of Fluid Power and Mechatronic Systems en Chine et a également travaillé sur les pompes souples. Bien qu'il ne soit pas impliqué dans cette recherche, il la décrit comme « une intégration efficace de l'actionnement et de la possibilité de couture pour les applications portables ».

Andrew Conn, un expert en robotique douce de l'Université de Bristol au Royaume-Uni, qui n'a pas non plus participé, décrit les travaux comme « une étape passionnante » vers des technologies portables confortables pour l'assistance physique et la régulation thermique. Il met en avant la méthode de fabrication simple, qui permet d'augmenter la longueur de la pompe à fibre produite. "Cela devrait aider à traduire cette technologie hors du laboratoire et en applications portables pratiques beaucoup plus rapidement", ajoute-t-il, tout en soulignant également que les champs électriques importants et le fluide pompé spécialisé peuvent constituer des limites de la conception actuelle.

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« Nous fonctionnons à haute tension, mais la consommation électrique des pompes est très modeste », répond Smith. Il ajoute que les pompes à fibre peuvent être alimentées par batterie et transporter un courant bien inférieur à tout seuil de sécurité pour l'interaction humaine.

Les chercheurs ont démontré que les pompes à fibres peuvent appliquer la pression nécessaire pour actionner des muscles artificiels, restituer des stimuli thermiques haptiques dans les gants et créer des vêtements de refroidissement actifs. À l'avenir, ils espèrent élargir la sélection de liquides qu'ils utilisent, mais ils recherchent désormais principalement des moyens d'améliorer l'efficacité des pompes à fibre, de les rendre plus longues et de les entrelacer avec d'autres fibres actives telles que des capteurs et des actionneurs, pour peut-être produire un jour un exosquelette doux et confortable.

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• La source: https://physicsworld.com/a/researchers-develop-the-missing-component-in-robotic-textiles/