Innovation en matière de polymères ferroélectriques dans le domaine de la robotique

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Actionnement des polymères ferroélectriques

Actionnement de polymères ferroélectriques par chauffage Joule. Crédit : Qing Wang

Un nouveau polymère ferroélectrique qui convertit efficacement l’énergie électrique en contrainte mécanique a été mis au point par des chercheurs de l’État de Pennsylvanie. Ce matériau, qui pourrait être utilisé dans les appareils médicaux et la robotique, surmonte les limites piézoélectriques traditionnelles. Les chercheurs ont amélioré les performances en créant un nanocomposite polymère, ce qui a permis de réduire considérablement l’intensité du champ d’entraînement nécessaire, élargissant ainsi les applications potentielles.

Selon une équipe de chercheurs internationaux dirigée par Penn State, un nouveau type de polymère ferroélectrique qui convertit exceptionnellement bien l’énergie électrique en contrainte mécanique est prometteur en tant que contrôleur de mouvement ou « actionneur » à haute performance, avec un grand potentiel d’applications dans les appareils médicaux, la robotique avancée et les systèmes de positionnement de précision.

La déformation mécanique, c’est-à-dire la façon dont un matériau change de forme lorsqu’une force est appliquée, est une propriété importante pour un actionneur, c’est-à-dire tout matériau qui se modifie ou se déforme lorsqu’une force externe, telle que l’énergie électrique, est appliquée. Traditionnellement, ces matériaux d’actionnement étaient rigides, mais les actionneurs souples tels que les polymères ferroélectriques font preuve d’une plus grande flexibilité et d’une meilleure adaptabilité à l’environnement.

La recherche a démontré le potentiel des nanocomposites polymères ferroélectriques pour surmonter les limites des composites polymères piézoélectriques traditionnels, offrant une voie prometteuse pour le développement d’actionneurs souples avec une performance de déformation et une densité d’énergie mécanique améliorées. Les actionneurs souples sont particulièrement intéressants pour les chercheurs en robotique en raison de leur force, de leur puissance et de leur flexibilité.

« Potentiellement, nous pouvons maintenant avoir un type de robotique molle que nous appelons muscle artificiel », a déclaré Qing Wang, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à la Penn State et co-auteur correspondant de l’étude récemment publiée dans la revue Nature Materials. « Cela nous permettrait d’avoir une matière molle capable de supporter une charge élevée en plus d’une grande déformation. Ce matériau serait donc plus une imitation du muscle humain, un matériau proche du muscle humain ».

Cependant, il reste quelques obstacles à surmonter avant que ces matériaux puissent tenir leurs promesses, et des solutions potentielles à ces obstacles ont été proposées dans l’étude. Les ferroélectriques sont une classe de matériaux qui présentent une polarisation électrique spontanée lorsqu’une charge électrique externe est appliquée et que les charges positives et négatives des matériaux se dirigent vers des pôles différents. La déformation de ces matériaux pendant la transition de phase, dans ce cas la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique, peut changer complètement les propriétés telles que la forme, ce qui les rend utiles en tant qu’actionneurs.

« Potentiellement, nous pouvons maintenant avoir un type de robotique douce que nous appelons muscle artificiel ».

– Qing Wang, professeur de science et d’ingénierie des matériaux

Une application courante d’un actionneur ferroélectrique est l’imprimante à jet d’encre, où la charge électrique modifie la forme de l’actionneur pour contrôler avec précision les minuscules buses qui déposent l’encre sur le papier pour former du texte et des images.

Si de nombreux matériaux ferroélectriques sont des céramiques, ils peuvent également être des polymères, une classe de matériaux naturels et synthétiques constitués de nombreuses unités similaires liées entre elles. Par exemple, l’ADN est un polymère, tout comme le nylon. L’un des avantages des polymères ferroélectriques est qu’ils présentent une quantité considérable de déformation induite par le champ électrique, nécessaire à l’actionnement. Cette déformation est beaucoup plus importante que celle générée par d’autres matériaux ferroélectriques utilisés pour les actionneurs, tels que les céramiques.

Cette propriété des matériaux ferroélectriques, associée à un niveau élevé de flexibilité, à un coût réduit par rapport à d’autres matériaux ferroélectriques et à un faible poids, présente un grand intérêt pour les chercheurs dans le domaine croissant de la robotique souple, c’est-à-dire la conception de robots dotés de pièces et d’électronique flexibles.

« Dans cette étude, nous avons proposé des solutions à deux défis majeurs dans le domaine de l’actionnement des matériaux souples », a déclaré Wang. « Le premier consiste à améliorer la force des matériaux souples. Nous savons que les matériaux d’actionnement souples que sont les polymères ont la plus grande déformation, mais ils génèrent beaucoup moins de force que les céramiques piézoélectriques. »

Le deuxième défi est qu’un actionneur polymère ferroélectrique nécessite généralement un champ d’entraînement très élevé, c’est-à-dire une force qui impose un changement dans le système, tel que le changement de forme d’un actionneur. Dans ce cas, le champ d’entraînement élevé est nécessaire pour générer le changement de forme du polymère requis pour la réaction ferroélectrique nécessaire pour devenir un actionneur.

La solution proposée pour améliorer les performances des polymères ferroélectriques consistait à développer un nanocomposite de polymère ferroélectrique percolatif – une sorte d’autocollant microscopique attaché au polymère. En incorporant des nanoparticules dans un type de polymère, le fluorure de polyvinylidène, les chercheurs ont créé un réseau interconnecté de pôles au sein du polymère.

« …ce nouveau matériau peut être utilisé pour de nombreuses applications qui nécessitent un faible champ d’entraînement pour être efficaces, telles que les dispositifs médicaux, les dispositifs optiques et la robotique douce. »

– Qing Wang, professeur de science et d’ingénierie des matériaux

Ce réseau a permis d’induire une transition de phase ferroélectrique à des champs électriques beaucoup plus faibles que ce qui serait normalement nécessaire. Ce résultat a été obtenu par une méthode électro-thermique utilisant le chauffage par effet Joule, qui se produit lorsque le courant électrique traversant un conducteur produit de la chaleur. L’utilisation du chauffage par effet Joule pour induire la transition de phase dans le polymère nanocomposite a permis de n’avoir besoin que de moins de 10 % de l’intensité du champ électrique généralement nécessaire pour un changement de phase ferroélectrique.

« Généralement, cette déformation et cette force dans les matériaux ferroélectriques sont corrélées l’une à l’autre, dans une relation inverse », a déclaré M. Wang. « Désormais, nous pouvons les intégrer dans un seul matériau et nous avons développé une nouvelle approche pour le piloter en utilisant le chauffage par effet Joule. Comme le champ d’entraînement sera beaucoup plus faible, inférieur à 10 %, ce nouveau matériau peut être utilisé pour de nombreuses applications qui nécessitent un champ d’entraînement faible pour être efficaces, comme les dispositifs médicaux, les dispositifs optiques et la robotique douce ».

Référence : « Electro-thermal actuation in percolative ferroelectric polymer nanocomposites » par Yang Liu, Yao Zhou, Hancheng Qin, Tiannan Yang, Xin Chen, Li Li, Zhubing Han, Ke Wang, Bing Zhang, Wenchang Lu, Long-Qing Chen, J. Bernholc et Qing Wang, 25 mai 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01564-7

Outre Wang, les autres chercheurs ayant participé à l’étude sont, pour Penn State, Yao Zhou, chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux ; Tiannan Yang, professeur de recherche adjoint à l’Institut de recherche sur les matériaux ; Xin Chen, chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux ; Li Li, assistant de recherche en science et ingénierie des matériaux ; Zhubing Han, assistant de recherche diplômé en science et ingénierie des matériaux ; Ke Wang, professeur de recherche associé à l’Institut de recherche sur les matériaux ; et Long-Qing Chen, professeur Hamer de science et d’ingénierie des matériaux. À l’université d’État de Caroline du Nord, les autres chercheurs ayant participé à l’étude sont Hancheng Qin, assistant de recherche diplômé en physique ; Bing Zhang, étudiant diplômé en physique ; Wenchang Lu, professeur de recherche en physique ; et Jerry Bernholc, professeur de physique à Drexel. Parmi les autres chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Huazhong à Wuhan, en Chine, figure l’auteur correspondant Yang Liu, ancien chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux à Penn State, aujourd’hui professeur de science et d’ingénierie des matériaux.

L’étude a été soutenue en partie par le ministère de l’énergie des États-Unis.