Une nouvelle encre pour l'impression 3D d'objets souples et légers

Faire en sorte que les robots souples ou les dispositifs portables restent légers est un défi permanent pour les ingénieures et ingénieurs: les matériaux plus lourds nécessitent davantage d’énergie pour être déplacés et, dans le cas des dispositifs portables ou des prothèses, ils sont source d’inconfort. Les élastomères sont des polymères synthétiques pouvant être fabriqués avec un ensemble de propriétés mécaniques, allant de la rigidité à l’extensibilité, ce qui en fait un matériau apprécié pour de telles applications. Mais jusqu’à présent, la fabrication d’élastomères qui peuvent être formés en structures 3D complexes passant de rigides à caoutchouteuses était irréalisable.

«Les élastomères sont généralement moulés, ce qui ne permet pas de modifier leur composition dans les trois dimensions sur de courtes échelles de longueur. Pour éliminer ce problème, nous avons mis au point les DNGE: des élastomères granulaires à double réseau imprimables en 3D dont les propriétés mécaniques peuvent varier à un degré sans précédent», déclare Esther Amstad, responsable du Laboratoire de la matière molle de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL.

Doctorante au laboratoire d’Esther Amstad, Eva Baur a utilisé les DNGE pour imprimer un prototype de «doigt», avec des «os» rigides entourés de «chair» molle. Le doigt imprimé pouvait se déformer d’une manière prédéfinie, démontrant que cette technologie permet de fabriquer des dispositifs suffisamment souples pour se plier et s’étirer, tout en restant assez fermes pour manipuler des objets.

Grâce à ces avantages, les scientifiques estiment que les DNGE pourraient faciliter la conception d’actionneurs, de capteurs et de dispositifs portables souples, dépourvus de joints mécaniques lourds et encombrants. Leurs travaux de recherche ont été publiés dans la revue Advanced Materials.

Deux réseaux élastomères, deux fois plus de polyvalence

La clé de la polyvalence des DNGE réside dans la conception de deux réseaux élastomères. D’abord, des microparticules d’élastomère sont produites à partir de gouttes d’émulsion huile dans eau. Ces microparticules sont placées dans une solution précurseur, où elles absorbent des composés élastomères et gonflent. Ensuite, les microparticules gonflées sont utilisées pour fabriquer une encre imprimable en 3D, qui est chargée dans une bio-imprimante pour créer la structure souhaitée. Le précurseur est polymérisé dans la structure imprimée en 3D, créant un second réseau élastomère qui rigidifie l’ensemble de l’objet.

Alors que la composition du premier réseau détermine la rigidité de la structure, le second définit sa ténacité. Autrement dit, les deux réseaux peuvent être ajustés indépendamment pour obtenir à la fois une rigidité, une ténacité et une résistance à la fatigue. Le recours aux élastomères plutôt qu’aux hydrogels, utilisés dans les approches de pointe, présente l’avantage supplémentaire de créer des structures sans eau, ce qui les rend plus stables dans le temps. De plus, les DNGE peuvent être imprimés à l’aide d’imprimantes 3D disponibles dans le commerce.

«L’intérêt de notre approche réside dans le fait qu’elle est utilisable par toute personne disposant d’une bio-imprimante standard», souligne Esther Amstad.

Les dispositifs de rééducation guidée par le mouvement pourraient être une application intéressante pour les DNGE. Dans de tels dispositifs, la capacité à soutenir le mouvement dans une direction tout en le limitant dans une autre pourrait s’avérer très utile. L’évolution de la technologie DNGE pourrait aboutir à la création de prothèses, voire de guides de mouvement pour aider les chirurgiennes et chirurgiens dans leur travail. La détection des mouvements à distance, par exemple dans le cadre de la récolte assistée par robot ou de l’exploration sous-marine, est un autre domaine d’application.

Selon Esther Amstad, le Laboratoire de la matière molle travaille déjà sur les prochaines étapes du développement de ces applications en intégrant des éléments actifs, tels que des matériaux réactifs et des connexions électriques, dans les structures DNGE.