Un matériau absorbant l’eau inspiré des racines des plantes pourrait alimenter des robots

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Vue d'artiste d'un nanorobot survolant des cellules végétales vues au microscope. | Jonathan Paiano pour Trust My Science/Perkins eLearning (cellules végétales)
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Des chercheurs ont conçu un matériau imitant une capacité inhérente aux plantes dans le but de créer des dispositifs permettant d’alimenter des robots souples ou des implants médicaux par un simple environnement hydraté. Cette capacité est celle que les racines des cellules des plantes exploitent, en utilisant uniquement de l’eau comme carburant, pour permettre le mouvement.

« Même sans l’aide de muscles, le tissu végétal permet d’effectuer des mouvements importants et puissants grâce à l’écoulement des fluides par osmose », écrivent les chercheurs, de l’université de l’Illinois Urbana-Champaign, en introduisant leur étude. Les plantes possèdent cette capacité notamment grâce à des composés semi-perméables disposés sur leurs parois cellulaires, et c’est ce qu’ils ont tenté d’imiter. Les détails ont été publiés dans la revue Matter.

Pour cela, ils ont conçu, en fabriquant des cellules fermées à partir de polydiméthylsiloxane (un polymère organominéral de la famille des siloxanes), de véritables analogues de tissus végétaux (PTA, pour « Plant Tissue Analogue » en anglais). Plus précisément, ces PTA sont constitués de gouttelettes d’eau salée de taille micrométrique intégrées dans de fines parois de polydiméthylsiloxane (PDMS) hautement étirables et à perméabilité sélective.

Afin de contrôler la quantité d’eau absorbée par le matériau, les chercheurs ont utilisé différents niveaux de sel à l’intérieur des cellules. Ce procédé d’absorption à travers les parois cellulaires (ici en PDMS) est appelé « osmose ».

Un tissu artificiel qui se déforme et se renforce en absorbant de l’eau

Shelby Hutchens (auteur principal de l’étude) et son équipe ont constaté que plus la concentration en sel était élevée, plus la quantité d’eau absorbée était importante, et plus les cellules devenaient rigides et grandes. Ce « réglage » a dû être effectué avec soin car à des concentrations de sel très élevées les cellules artificielles se sont rompues, rapportent les chercheurs.

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« Lorsqu’ils sont immergés dans l’eau, les PTA atteignent un état d’équilibre régi par la concentration initiale en osmolytes (plus elle est élevée, plus le gonflement est important) et la réponse mécanique de la paroi cellulaire (plus elle est rigide et moins elle est étirable, moins elle gonfle) », écrivent-ils dans leur document.

L’équipe a découvert que si une couche de ce matériau était liée à une substance moins extensible, l’augmentation de la taille du PTA la faisait bouger et se courber en forme d’arc, un côté se dilatant et l’autre restant à sa taille initiale. Ce mouvement ne nécessite aucune énergie électrique, seulement une source d’humidité, et pourrait être utilisé à l’avenir pour mettre en mouvement ou alimenter des robots souples ou des implants médicaux. Les chercheurs ont aussi démontré que des matériaux antérieurs comme les hydrogels présentaient le même comportement d’expansion, mais qu’ils perdaient leur rigidité en gonflant, contrairement au PTA présenté, qui se renforce en absorbant de l’eau.

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Dans une expérience, l’équipe a montré comment cela affecte l’application potentielle des deux matériaux. Pour cela, ils ont lié une bande de PTA ainsi qu’une bande d’hydrogel à un matériau qui se dilate moins, et les ont exposées à l’eau. Les deux ont présenté le même gonflement et la même déformation, se courbant vers le haut. Cependant, lorsque l’expérience a été répétée en ajoutant un poids de 5 grammes à l’extrémité de chaque bande, le PTA s’est courbé vers le haut tout en « retenant » le poids, mais l’hydrogel n’avait pas la force interne nécessaire pour le faire.

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Schéma résumant l’expérience menée par les chercheurs, montrant la capacité du PTA composé de PDMS à se déformer tout en se solidifiant pour retenir un poids. © Shelby Hutchens et al.

Dans une autre expérience, de petits disques de PTA et d’hydrogel pesant chacun 0,15 gramme ont été placés dans des béchers et recouverts de 5 centimètres de sable humide. Le PTA a gonflé jusqu’à deux fois sa surface initiale, déplaçant le sable, tandis que l’hydrogel n’a atteint que 56% de la surface finale du PTA.

« […] Les analogues synthétiques de tissus végétaux présentés ici représentent une nouvelle catégorie de matériaux mous hydratés capables de se mouvoir activement et avec force », écrivent les chercheurs. « Grâce à un osmolyte encapsulé, le matériau ne nécessite aucune source d’énergie externe pour fonctionner, mais uniquement un environnement hydraté ». En considérant ces caractéristiques innovantes, il serait donc possible de mettre en mouvement certaines pièces de microrobots souples sans aucun apport d’énergie externe, hormis son environnement liquide. Les applications biomédicales potentielles pourraient ainsi être nombreuses.

Source : Matter

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