Des chercheurs développent des impressions 3D capables de ramper, se plier et déplier

Selon l’Université d’État de l’Oregon, des chercheurs ont développé une nouvelle approche d’impression 3D pour des matériaux à changement de forme, comparés à des muscles, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour des applications améliorées dans les industries de la robotique, de la biomédecine et de l’énergie. Les structures d’élastomères cristallins liquides (LCE) imprimées par Devin Roach du Collège d’ingénierie de l’OSU et ses collaborateurs peuvent ramper, se plier et se déclencher directement après l’impression.

« Les LCE sont essentiellement des moteurs doux », a déclaré Roach, professeur adjoint en génie mécanique. « Étant donné qu’ils sont souples, contrairement aux moteurs classiques, ils sont parfaits pour interagir avec nos corps naturellement souples. Ils peuvent donc être utilisés comme dispositifs médicaux implantables, par exemple, pour délivrer des médicaments à des endroits ciblés, comme stents pour des interventions dans des zones précises, ou encore comme implants urinaires pour aider à traiter l’incontinence. »

Les élastomères cristallins liquides sont des réseaux polymères légèrement réticulés capables de changer de forme de manière significative lorsqu’ils sont exposés à certains stimuli, comme la chaleur. Ils peuvent être utilisés pour transférer de l’énergie thermique, comme celle provenant du soleil ou des courants alternatifs, en énergie mécanique qui peut être stockée et utilisée à la demande.

« Les robots flexibles incorporant des LCE pourraient explorer des zones dangereuses ou inaccessibles aux humains », a expliqué Roach. « Ils montrent également un fort potentiel dans le domaine aérospatial en tant qu’actionneurs pour des systèmes automatisés tels que ceux utilisés pour la capture dans l’espace profond, le déploiement de radars ou l’exploration extraterrestre. »

Le secret de l’utilité fonctionnelle des élastomères cristallins liquides réside dans leur combinaison d’anisotropie et de viscoélasticité. L’anisotropie fait référence à la propriété d’être dépendant de la direction, comme le bois qui est plus solide dans le sens du grain que perpendiculairement, tandis que les matériaux viscoélastiques sont à la fois visqueux, comme le miel qui résiste à l’écoulement et se déforme lentement sous contrainte, et élastiques, retrouvant leur forme initiale une fois la contrainte éliminée, comme le caoutchouc. Les matériaux viscoélastiques se déforment lentement et se rétablissent progressivement.

Les propriétés de changement de forme des LCE dépendent de l’alignement des molécules dans les matériaux. Roach et ses collaborateurs de l’Université de Harvard, de l’Université du Colorado, de Sandia et de Lawrence Livermore ont découvert une méthode permettant d’aligner les molécules à l’aide d’un champ magnétique durant un type de DLP (traitement numérique de la lumière).

« L’alignement des molécules est la clé pour débloquer le plein potentiel des LCE et permettre leur utilisation dans des applications fonctionnelles avancées », a précisé Roach. « Notre travail ouvre de nouvelles possibilités pour créer des matériaux avancés qui réagissent aux stimuli de manière utile, ce qui pourrait conduire à des innovations dans plusieurs domaines. »

Roach et les autres chercheurs ont varié l’intensité du champ magnétique et étudié comment celui-ci et d’autres facteurs, comme l’épaisseur de chaque couche imprimée, affectaient l’alignement moléculaire. Cela leur a permis d’imprimer des formes complexes d’élastomères cristallins liquides qui changent de manière spécifique lorsqu’elles sont chauffées.

L’étude, publiée dans Advanced Materials, a été soutenue par la Fondation nationale des sciences et le Bureau de la recherche scientifique de l’Armée de l’air.

Dans des recherches connexes publiées dans Advanced Engineering Materials, Roach a dirigé une équipe d’étudiants de l’OSU et de collaborateurs de Sandia, de Lawrence Livermore et de l’Université technique Navajo, explorant le potentiel de l’amortissement mécanique des élastomères cristallins liquides.