L’équipe de Foam Fluidics présente l’approche créative de l’équipe en matière de conception de circuits

Lorsque l’on imagine les objets connectés et la robotique de nouvelle génération, la mousse qui garnit les coussins de votre canapé n’est probablement pas la première chose qui vous vient à l’esprit. Pourtant, les ingénieurs de l’université Rice ont montré qu’un élément aussi simple que le flux d’air à travers la structure aérée et maillée de la mousse à cellules ouvertes peut être utilisé pour effectuer des calculs numériques, des détections analogiques et un contrôle numérique-analogique combiné dans des systèmes portables à base de textiles souples.

« Dans ce travail, nous avons intégré l’intelligence matérielle (la capacité des matériaux à détecter et à réagir à leur environnement) avec une logique pilotée par circuit en utilisant une approche étonnamment simple basée sur le flux de fluide à travers des mousses souples », a déclaré Daniel Preston, professeur adjoint de génie mécanique et auteur correspondant d’une étude sur la recherche publiée dans Matériaux fonctionnels avancés.

Les circuits logiques pneumatiques des robots et des objets portables à corps souple sont traditionnellement conçus de manière à refléter les circuits électroniques, c’est-à-dire en reliant entre eux des composants individuels tels que des résistances, des condensateurs, des diodes et des portes via des éléments de connexion. Ces architectures conventionnelles reposent sur des portes logiques interconnectées, des éléments de base des systèmes numériques qui transforment une ou plusieurs entrées en une seule sortie.

Dans le cadre de travaux antérieurs, le Preston Innovation Laboratory a développé une méthode de contrôle sans électronique des vêtements textiles à l’aide de circuits logiques pneumatiques. Cependant, cette approche initiale ne s’appuyait pas sur les propriétés intrinsèques des matériaux souples pour maximiser l’efficacité de la conception des circuits.

« Plus une tâche ou une opération est complexe, plus le nombre de portes logiques généralement requises est élevé », explique Preston.

Dans les applications, cela pourrait se traduire par des appareils plus lourds, plus chers, plus difficiles à fabriquer et plus susceptibles de tomber en panne. Pour contourner ce problème, les chercheurs ont découvert comment utiliser les différences de pression créées par l’air circulant à travers les pores microscopiques des feuilles de mousse afin d’effectuer des calculs pneumatiques complexes et des tâches de contrôle avec une plus grande économie de conception de circuit.

« Nous montrons ici que les propriétés des matériaux souples eux-mêmes, comme le caractère spongieux ou la porosité des feuilles de mousse, peuvent être exploitées pour réaliser des tâches de contrôle fluidique telles que la détection de la quantité de force appliquée par un utilisateur ou la conversion de signaux de pression numériques en signaux analogiques, réduisant ainsi la dépendance aux portes logiques fluidiques et simplifiant le fonctionnement », a déclaré Anoop Rajappan, auteur principal de l’étude et chercheur scientifique à Rice pendant le projet.

Contrairement aux liquides, la densité de l’air varie en fonction de la pression, ce qui rend la modélisation du flux d’air à travers des feuilles de mousse plus complexe. Les chercheurs ont néanmoins relevé le défi.

« Nous avons développé un cadre théorique pour analyser le flux de gaz à travers des matériaux poreux, créé de nouvelles techniques expérimentales pour mesurer les propriétés fluidiques de la mousse et finalement généré un modèle pour le changement de résistance fluidique de la mousse avec la force appliquée », a déclaré Rajappan.

Les chercheurs ont conçu des résistances fluidiques à base de mousse, des dispositifs qui limitent le flux d’air dans les circuits pneumatiques, de la même manière que les résistances électroniques limitent le flux de courant dans les circuits électroniques. Ces résistances peuvent être utilisées pour créer des circuits logiques pneumatiques bidimensionnels qui peuvent être intégrés dans des appareils portables à base de textile.

« En repensant les composants des circuits tels que les résistances pour exploiter les propriétés fluidiques des matériaux souples tels que la mousse, nous pouvons construire des robots souples fiables et rationalisés et des appareils portables alimentés par des systèmes pneumatiques qui dépendent moins de composants lourds, encombrants ou rigides tels que les moteurs et les batteries », a déclaré Rajappan.

« Les appareils robotiques portables pourraient, par exemple, fournir une assistance aux utilisateurs ayant des problèmes de mobilité, et la fabrication d’appareils portables à partir de textiles et leur alimentation par air comprimé peuvent les rendre confortables, légers, peu coûteux et discrets pour l’utilisateur. »

Outre Preston et Rajappan, les autres auteurs de l’étude sont Zhen Liu, Faye Yap et Rawand Rasheed. Rajappan, Liu et Yap ont accepté des offres de postes de professeurs assistants titulaires à l’Université de Tulane, à l’Université du Texas à Dallas et à l’Université d’Hawaï, respectivement. Rasheed est le PDG d’Helix Earth Technologies, une start-up issue du laboratoire de Preston.