Une torsion géométrique décuple la puissance des textiles robotiques

Reposant sur des composants rigides, la plupart des systèmes robotiques portables sont peu confortables et rencontrent des freins en termes d’acceptation sociale. Des éléments robotiques capables d’exercer des forces lorsqu’ils sont activés peuvent fournir une assistance mécanique discrète aux muscles humains, mais il est encore extrêmement difficile pour ces actionneurs d’atteindre des niveaux de force et d’amplitude de mouvement suffisants tout en restant suffisamment flexibles pour être intégrés dans des vêtements.

C’est précisément ce défi qu’ont relevé des chercheuses et chercheurs du Laboratoire des microsystèmes souples (LMTS), au sein de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL. Ils ont développé des actionneurs textiles à base de fibres en alliage à mémoire de forme (AMF), entrelacées selon un motif périodique en X, baptisé géométrie X-Crossing. Lorsqu’il est contracté à 50%, un échantillon de tissu de 4,5 grammes intégrant ces fibres peut soulever une charge de 1 kilogramme. Ces travaux, menés par Huapeng Zhang et le responsable du LMTS, Herbert Shea, ont été publiés dans Science Advances.

Résistance et flexibilité grâce à la coopération des fibres

Le fonctionnement repose sur la façon dont les minces fils AMF, constitués d’un alliage de nickel et de titane, se raccourcissent et se rigidifient lorsqu’ils sont chauffés par un courant électrique. Bien que très puissantes, ces fibres ont longtemps vu leur efficacité limitée dans les textiles par la manière dont elles étaient entrelacées. Dans les mailles ou les nœuds classiques, les fibres s’enroulent dans différentes directions ; lors de leur contraction, les forces qu’elles génèrent s’opposent souvent partiellement, s’annulant partiellement.

Pour dépasser cette limite, l’équipe de l’EPFL a conçu l’architecture X-Crossing. Dans ce design, chaque croisement de fibres est précisément aligné dans la direction du mouvement recherché. Au lieu de s’opposer les unes aux autres, les fibres coopèrent de manière fluide. En plus de maximiser la force générée, cet alignement permet au tissu de s’étirer jusqu’à 160 % de sa longueur initiale, rendant les vêtements souples et faciles à enfiler.

«Nous avons réalisé que l’orientation des croisements de fibres joue un rôle déterminant dans la manière dont les forces s’additionnent au sein d’un actionneur textile», explique Huapeng Zhang, doctorant au LMTS et premier auteur de l’étude. «En alignant ces croisements, nous faisons en sorte que les forces générées à chaque intersection s’additionnent de manière constructive, au lieu de s’annuler, ce qui permet d’obtenir des performances nettement supérieures à celles des textiles tricotés ou noués existants.»

Assistance portable et compression

Afin de démontrer le potentiel des actionneurs X-Crossing, l’équipe les a intégrés dans deux prototypes portables fonctionnels. Dans un premier cas, le textile a été monté sur le bras d’un mannequin pour illustrer une manche d’assistance à la flexion du coude. L’actionneur a permis de soulever un sac de 1 kilogramme tenu dans la main du mannequin sur une amplitude de 30°, de manière fluide et contrôlée. Dans une seconde démonstration, les actionneurs ont été utilisés avec succès pour produire une compression directement sur le corps, une fonction essentielle pour des manchons médicaux ou des équipements sportifs.

Alors que les textiles ont longtemps été cantonnés à un rôle passif, leur évolution vers des tissus capables d’agir comme de puissants actionneurs ouvre la voie à une nouvelle classe de robots portables: confortables, discrets et pratiques, capables d’assister les gestes du quotidien

Au-delà de cette nouvelle architecture, les scientifiques ont également développé un modèle mécanique décrivant la variation de rigidité des fibres AMF en fonction de la température et des contraintes. Contrairement aux approches simplifiées antérieures, ce modèle prend en compte les variations spatiales de rigidité au sein de chaque fibre lors des transitions de phase, ce qui permet de prédire avec précision la force et la contraction produites par un actionneur selon la charge, la température et la géométrie du textile.

Herbert Shea souligne qu’un avantage clé du design X-Crossing réside dans son efficacité, qui lui permet de maintenir une pression de compression sans consommation d’énergie.

«Alors que les textiles ont longtemps été cantonnés à un rôle passif, leur évolution vers des tissus capables d’agir comme de puissants actionneurs ouvre la voie à une nouvelle classe de robots portables: confortables, discrets et pratiques, capables d’assister les gestes du quotidien», conclut-il.