Les hydrogels ouvrent la voie au futur de la robotique douce

Des chercheurs du College of Engineering de l’Université Carnegie Mellon ont créé une extrudeuse de fibres open source disponible dans le commerce pour bénéficier à la recherche future sur les hydrogels et la robotique douce.

Comme leur nom l’indique, les hydrogels commencent sous forme liquide en tant que monomères. Ce liquide visqueux, qui peut être composé de matériaux synthétiques ou naturels allant du polyester à l’alginate de sodium, peut être utilisé comme encre pour l’impression 3D. L’encre est d’abord chargée dans une seringue, puis pompée à travers l’aiguille sous forme de filament fin et solidifiée après l’impression 3D pour former une structure multidimensionnelle, de la même manière que Jell-O est d’abord mélangé sous forme de liquide avant de se transformer en un doux, dessert pliable. Lorsque les hydrogels sont placés dans le bon environnement, les monomères du liquide se réticulent pour former des polymères, ce qui donne forme à l’hydrogel et lui permet de piéger l’eau.

Vous pouvez imaginer que ces matériaux souples sont également délicats – et c’est l’un des inconvénients de travailler avec des hydrogels pour des applications robotiques. Pour résoudre ce problème et permettre aux hydrogels d’être utilisés dans une plus grande variété de tâches et d’environnements difficiles, Wenhuan Sun, un Ph.D. étudiant en génie mécanique, co-dirigé par Victoria Webster-Wood et Adam Feinberg, a conçu une extrudeuse à fibres continues, un dispositif qui renforce les hydrogels, afin qu’ils ne se désagrègent pas facilement ou ne perdent pas leur forme lorsqu’ils sont chargés. Feinberg, professeur de génie biomédical et de science et génie des matériaux, a précédemment créé l’imprimante 3D sur laquelle les extrudeuses de fibres ont été testées pour la première fois.

L’incorporation de fibres dans les hydrogels pendant le processus d’impression renforce leurs propriétés mécaniques afin qu’elles soient moins fragiles. La création d’une extrudeuse de fibres open-source disponible dans le commerce bénéficiera à la recherche future sur les hydrogels. Non seulement la conception de l’extrudeuse de l’équipe est relativement bon marché à environ 53 $, mais elle est également compatible avec de nombreux appareils d’impression 3D à domicile et a été testée avec succès dans des hydrogels intégrés avec des fibres synthétiques et naturelles, y compris la soie et le collagène. L’article de l’équipe, publié dans MatérielXsert presque de formule pour d’autres chercheurs qui souhaitent expérimenter l’impression 3D d’hydrogel incrusté de fibres.

“Ce document décrit l’ensemble du processus de construction du hub d’impression par fibre afin que d’autres personnes puissent simplement faire référence à notre travail, puis construire le leur sans instruction supplémentaire”, explique Sun sur la façon dont leurs recherches servent la communauté robotique.

Lorsque les hydrogels conservent leur intégrité structurelle, ils peuvent être appliqués à une plus grande variété de situations. Leurs attributs uniques comme la flexibilité et la douceur en font des outils idéaux pour l’administration de médicaments et l’ingénierie tissulaire, mais la robustesse physique ouvre la porte à des tâches plus larges en robotique douce. Étant donné que les extrudeuses à fibres continues fonctionnent bien avec des matériaux naturels comme le collagène et l’alginate, les hydrogels renforcés sont en passe de devenir un matériau adaptable pour les robots mous, et ils sont également respectueux de l’environnement.

“Nous sommes vraiment intéressés par la manière dont nous pouvons utiliser des matériaux biodégradables dans les robots”, déclare Webster-Wood, professeur adjoint de génie mécanique qui a fondé le groupe Biohybrid and Organic Robotics. “Ces hydrogels à base de plantes sont une direction vraiment intéressante, car nous pouvons essentiellement cultiver les matériaux pour les robots et les rendre renouvelables.”