Nouvelle pince robotique souple conçue avec du graphène et des cristaux liquides

Des chercheurs d'Eindhoven ont développé une « main » robotique souple composée de cristaux liquides et de graphène qui pourrait être utilisée pour concevoir de futurs robots chirurgicaux. Le nouveau travail vient d'être publié dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS.

Dans nos futurs hôpitaux, des robots logiciels pourraient être utilisés comme robots chirurgicaux. Mais avant que cela ne se produise, les chercheurs doivent trouver comment contrôler et déplacer avec précision ces robots déformables. De plus, de nombreux robots mous actuels contiennent des métaux, ce qui signifie que leur utilisation dans des environnements riches en eau, comme le corps humain, est plutôt limitée.

Chercheurs TU/e ​​dirigés par un doctorat. la candidate Laura van Hazendonk, Zafeiris Khalil (dans le cadre de ses recherches de maîtrise), Michael Debije et Heiner Friedrich ont conçu une main robotique souple ou une pince à base de graphène et de cristaux liquides (deux matériaux organiques). Cela ouvre la possibilité d’utiliser un tel dispositif potentiellement et en toute sécurité en chirurgie à l’avenir.

Les robots ont une énorme influence sur notre monde. Par exemple, dans l’industrie, les robots construisent des automobiles et des téléviseurs. Dans les hôpitaux, les robots, comme le système chirurgical robotique Da Vinci, assistent les chirurgiens et permettent des opérations peu invasives. Et certains d’entre nous possèdent même des robots pour passer l’aspirateur à la maison.

“La société est devenue dépendante des robots et nous trouvons de nouvelles façons de les utiliser”, déclare Van Hazendonk, Ph.D. chercheur au Département de génie chimique et de chimie. “Mais en concevant de nouvelles façons de les utiliser, nous devons penser à utiliser différents types de matériaux pour les fabriquer.”

Penser doucement

Les différents matériaux auxquels Van Hazendonk fait référence sont des fluides, des gels et des matériaux élastiques, qui sont tous facilement déformables. “En général, les robots sont fabriqués à partir de métaux rigides et durs. Mais dans certaines applications, les robots fabriqués à partir de matériaux durs et rigides limitent les performances du robot”, explique Van Hazendonk. “La solution est de penser doucement.”

En robotique douce, l’objectif est de fabriquer des robots à partir de matériaux comme des fluides ou des gels qui peuvent se déformer dans certaines situations et peuvent ensuite agir comme des robots fabriqués à partir de matériaux rigides et durs traditionnels.

Un domaine dans lequel les robots logiciels semblent appelés à avoir un impact majeur est celui des interventions chirurgicales. Van Hazendonk ajoute : « Pour un chirurgien, de nombreuses opérations peuvent être complexes et délicates, et nécessitent donc une dextérité précise de la part du chirurgien. Parfois, cela n'est tout simplement pas possible et ils se tournent vers des robots.

“Mais les robots rigides ne sont peut-être pas non plus en mesure d'accéder facilement à certaines zones. C'est là que les robots souples peuvent prendre le dessus, et notre objectif était d'offrir un nouveau coup de pouce potentiel à utiliser pour le serrage et la suture des appareils usagés en chirurgie, par exemple. “.

Se tourner vers les matériaux Nobel

Pour leurs recherches, Van Hazendonk et ses collègues ont choisi d'utiliser un autre type de matériau déformable – des cristaux liquides – ainsi que du graphène pour fabriquer un dispositif de préhension souple ou une « main » avec quatre « doigts » contrôlables et déformables.

Curieusement, les cristaux liquides et le graphène sont directement ou indirectement liés aux prix Nobel de physique au cours des 30 dernières années. En 1991 déjà, Pierre-Gilles de Gennes avait remporté le prix pour ses travaux sur commande sur des matières complexes, comme les cristaux liquides. Et en 2010, Andre Geim et Konstantin Novoselov ont remporté le prix pour leurs travaux sur le graphène, un matériau extrêmement résistant, transparent et conducteur efficace d'électricité et de chaleur.

“Un cristal liquide se comporte comme un liquide ou un solide selon la façon dont il est excité ou perturbé. Lorsqu'il s'écoule, il agit comme un liquide. Mais dans des situations particulières, les molécules du liquide peuvent s'organiser pour créer un motif ou une structure régulière. , comme un cristal que l'on verrait dans un matériau solide sous un microscope puissant”, explique Van Hazendonk. “La capacité des matériaux à cristaux liquides à agir ainsi est parfaite lorsqu'il s'agit de fabriquer des robots mous.”

Défi de l'actionneur

Une fois les matériaux sélectionnés, les chercheurs se sont lancés dans la conception et la fabrication d'un actionneur. “Les actionneurs contrôlent et régulent le mouvement dans les systèmes robotiques. Habituellement, l'actionneur répond ou se déplace lorsqu'il est alimenté en électricité, en air ou en fluide”, explique Van Hazendonk. “Dans notre travail, nous nous sommes tournés vers autre chose pour piloter les actionneurs de réseaux à cristaux liquides (LCN).”

Les chercheurs ont conçu un dispositif de préhension doté de quatre “doigts” contrôlés à l'aide d'actionneurs LCN qui se déforment grâce à l'effet de la chaleur sur des éléments chauffants à base de graphène ou des traces dans les doigts de la pince ou de la “main”.

Pliage des doigts

“Lorsque le courant électrique traverse les pistes de graphène noir, les pistes chauffent, puis la chaleur des pistes modifie la structure moléculaire des doigts de cristaux liquides et certaines molécules passent de l'ordre au désordre. Cela conduit à la flexion des doigts. “, déclare Van Hazendonk. “Une fois le courant électrique coupé, la chaleur est perdue et la pince revient à son état initial.”

L'un des plus grands défis pour les chercheurs concernait les éléments chauffants en graphène, comme le souligne Heiner Friedrich, professeur adjoint au Département de génie chimique et de chimie.

“Nous devions nous assurer qu'ils chaufferaient à la bonne température pour changer la couche de cristaux liquides, et nous devions nous assurer que cela pouvait être fait à des tensions sûres. Au départ, les éléments en graphène n'atteignaient pas les bonnes températures à des tensions sûres. tensions, sinon ils surchaufferaient et brûleraient l'appareil”, explique Friedrich. “Ce problème et bien d'autres problèmes importants ont été résolus par Zafeiris Khalil au cours de sa thèse de maîtrise.”

Les chercheurs ne se sont pas laissés décourager par ce problème et ont finalement conçu un actionneur capable de fonctionner sans problème à des tensions inférieures à 15 volts. Et en termes de performances, les pinces peuvent soulever de petits objets d'une masse comprise entre 70 et 100 milligrammes. “Cela peut sembler peu, mais dans des applications médicales telles que la chirurgie, cela peut être utile pour le mouvement précis et minuscule de minuscules outils, implants ou tissus biologiques”, explique Van Hazendonk.

Pour Van Hazendonk, qui combine son doctorat. recherche en étant membre du parlement provincial du Noord-Brabant (Provinciale Staten) – cette recherche a été révélatrice pour elle.

Elle dit : « J'aime la façon dont ce travail combine une application utile et tangible. Le dispositif de préhension est basé sur des technologies fondamentales, mais l'actionneur lui-même pourrait constituer la base d'une suite de robots destinés à être utilisés dans des applications biomédicales ou chirurgicales à l'avenir.

Et pour l’avenir, Van Hazendonk et ses collègues ont des projets intéressants. Elle conclut : « Nous voulons fabriquer un robot entièrement imprimé en trouvant un moyen d'imprimer en 3D la couche de cristaux liquides. Pour notre pince, nous avons réalisé la couche en coulant des matériaux dans un moule. D'autres chercheurs du groupe de Michael Debije ont montré que les cristaux liquides peuvent être imprimés. Pour cette pince, nous avons imprimé la couche de graphène, ce serait donc cool d'avoir un appareil entièrement imprimé.