Les principes Kirigami entraînent une percée dans la conception du microrobot

Les dernières années ont connu des progrès importants dans le domaine de Robotique à microscoperepoussant les limites de ce qui est possible au niveau miniature. Ces progrès ont ouvert la voie à des percées potentielles dans des domaines allant des applications médicales à la surveillance environnementale. Dans ce paysage de l’innovation, les chercheurs de l’Université Cornell ont apporté une contribution remarquable, développant des robots à microscope qui peuvent transformer leur forme en commandement.

L’équipe, dirigée par le professeur Itai Cohen du Département de physique de Cornell, a créé des robots de moins d’un millimètre qui peuvent passer d’une forme plate et bidimensionnelle en différentes formes tridimensionnelles. Cette évolution, détaillée dans un article publié dans Matériaux de la naturereprésente un bond en avant significatif dans les capacités des systèmes robotiques à microscope.

Application des techniques de Kirigami en ingénierie robotique

Au cœur de cette percée se trouve une application innovante des principes de Kirigami à la conception robotique. Kirigami, une variation d’origami qui implique la coupe et le papier pliant, a inspiré les ingénieurs à créer des structures qui peuvent changer de forme de manière précise et prévisible.

Dans le contexte de ces robots à microscope, les techniques de Kirigami permettent l’incorporation de coupes stratégiques et de plis dans le matériau. Cette approche de conception permet aux robots de se passer d’un état plat en configurations tridimensionnelles complexes, leur accordant une polyvalence sans précédent au niveau microscopique.

Les chercheurs ont surnommé leur création un «robot metasheet». Le terme «méta» fait ici référence aux métamatériaux – matériaux d’ingénierie avec des propriétés non trouvées dans des substances naturelles. Dans ce cas, la feuille de métashe est composée de nombreux éléments constitutifs travaillant de concert pour produire des comportements mécaniques uniques.

Cette conception de feuilles de métashe permet au robot de modifier sa zone de couverture et de se développer ou de se contracter localement jusqu’à 40%. La capacité d’adopter diverses formes permet potentiellement à ces robots d’interagir avec leur environnement d’une manière auparavant inaccessible à cette échelle.

Spécifications techniques et fonctionnalités

Le robot à microscope est construit comme un carrelage hexagonal composé d’environ 100 panneaux de dioxyde de silicium. Ces panneaux sont interconnectés par plus de 200 charnières d’actionnement, mesurant chacune environ 10 nanomètres d’épaisseur. Cet arrangement complexe de panneaux et de charnières constitue la base des capacités de changement de forme du robot.

La transformation et le mouvement de ces robots sont obtenus par activation électrochimique. Lorsqu’un courant électrique est appliqué via des fils externes, il déclenche les charnières d’actionnement pour former des plis de montagne et de la vallée. Cette actionnement amène les panneaux à s’ouvrir et à tourner, permettant au robot de changer sa forme.

En activant sélectivement différentes charnières, le robot peut adopter diverses configurations. Cela lui permet potentiellement d’enrouler autour des objets ou de se déployer dans une feuille plate. La capacité à ramper et à changer de forme en réponse aux stimuli électriques montre un niveau de contrôle et de polyvalence qui distingue ces robots des conceptions à l’échelle microscopique précédents.

Applications et implications potentielles

Le développement de ces robots microscopates à changement de forme ouvre une multitude d’applications potentielles dans divers domaines. Dans le domaine de la médecine, ces robots pourraient révolutionner les procédures mini-invasives. Leur capacité à changer de forme et à naviguer à travers des structures corporelles complexes pourrait les rendre inestimables pour l’administration ciblée de médicaments ou la microchirurgie.

Dans le domaine des sciences de l’environnement, ces robots pourraient être déployés pour la surveillance à l’échelle microscopique des écosystèmes ou des polluants. Leur petite taille et leur adaptabilité leur permettraient d’accéder et d’interagir avec des environnements qui sont actuellement difficiles à étudier.

De plus, dans la science et la fabrication des matériaux, ces robots pourraient servir de blocs de construction pour les micromachines reconfigurables. Cela pourrait conduire au développement de matériaux adaptatifs qui peuvent modifier leurs propriétés à la demande, ouvrant de nouvelles possibilités dans des domaines tels que l’ingénierie aérospatiale ou les textiles intelligents.

Instructions de recherche futures

L’équipe Cornell envisage déjà la prochaine phase de cette technologie. Une avenue passionnante de recherche est le développement de ce qu’ils appellent les matériaux «élastroniques». Ceux-ci combineraient des structures mécaniques flexibles avec des contrôleurs électroniques, créant des matériaux ultra-réactifs avec des propriétés qui dépassent tout ce que l’on trouve dans la nature.

Le professeur Cohen envisage des matériaux qui peuvent répondre aux stimuli de manière programmée. Par exemple, lorsqu’ils sont soumis à la force, ces matériaux pourraient «s’enfuir» ou repousser avec une plus grande force qu’ils n’en ont connu. Ce concept de matière intelligente régie par des principes qui transcendent les limitations naturelles pourraient conduire à des applications transformatrices dans plusieurs industries.

Un autre domaine de la recherche future consiste à améliorer la capacité des robots à récolter l’énergie de leur environnement. En incorporant l’électronique sensible à la lumière dans chaque élément de construction, les chercheurs visent à créer des robots qui peuvent fonctionner de manière autonome pendant de longues périodes.

Défis et considérations

Malgré le potentiel passionnant de ces robots à microscope, plusieurs défis demeurent. Une préoccupation principale consiste à augmenter la production de ces appareils tout en maintenant la précision et la fiabilité. La nature complexe de la construction des robots présente des obstacles de fabrication importants qui doivent être surmontés pour une application généralisée.

De plus, le contrôle de ces robots dans des environnements réels pose des défis substantiels. Bien que la recherche actuelle montre le contrôle via des fils externes, le développement de systèmes pour le contrôle sans fil et l’alimentation à cette échelle reste un obstacle important.

Des considérations éthiques entrent également en jeu, en particulier lorsque l’on considère les applications biomédicales potentielles. L’utilisation de robots à microscope à l’intérieur du corps humain soulève des questions importantes sur la sécurité, les effets à long terme et le consentement du patient qui devra être soigneusement abordé.

La ligne de fond

Le développement de robots à l’échelle microscopique en forme de forme par les chercheurs de l’Université de Cornell marque une étape importante dans la robotique et la science des matériaux. En appliquant ingénieusement les principes de Kirigami pour créer des structures de feuilles metashes, cette percée ouvre un large éventail d’applications potentielles, des procédures médicales révolutionnaires à une surveillance environnementale avancée.

Bien que les défis de la fabrication, du contrôle et des considérations éthiques restent, cette recherche jette les bases de futures innovations telles que les matériaux «élastiques». Alors que cette technologie continue d’évoluer, elle a le potentiel de remodeler plusieurs industries et notre paysage technologique plus large, démontrant une fois de plus comment les progrès à l’échelle microscopique peuvent entraîner des impacts démesurés sur la science et la société.