Un matériau de capteur extensible pour alimenter l’électronique portable qui fonctionne dans un froid extrême

Un matériau de capteur extensible pour alimenter l'électronique portable qui fonctionne dans un froid extrême

Binbin Ying, un ancien doctorant invité dans le laboratoire du professeur de l’Université de Toronto Xinyu Liu, fait la démonstration d’un matériau de capteur résistant au froid, extensible et collant appelé « iSkin » qui convertit le mouvement physique en signaux électriques. Crédit : Runze Zuo

Un nouveau matériau conçu par des chercheurs de la Faculté des sciences appliquées et du génie de l’Université de Toronto combine la flexibilité de la peau humaine avec une conductivité et une tolérance améliorées à des températures aussi basses que -93 °C.

Connue sous le nom de peau ionique, ou iSkin, la substance pourrait améliorer un large éventail de technologies – de l’électronique portable à la robotique douce.

La substance, qui appartient à une famille de matériaux appelés hydrogels, est décrite en détail dans un article publié récemment dans la revue Matériaux fonctionnels avancés.

« Les hydrogels sont des polymères réticulés capables de retenir beaucoup d’eau dans leurs structures chimiques », explique Binbin Ying, qui termine actuellement des travaux postdoctoraux au MIT mais a dirigé la conception du matériau tout en poursuivant des études supérieures à l’Université McGill. et travailler simultanément en tant que doctorant invité dans le laboratoire du professeur d’ingénierie de l’Université de Toronto Xinyu Liu.

« De nombreux tissus de notre propre corps sont des hydrogels, ils sont donc souvent utilisés dans des applications où la biocompatibilité est importante, comme les cosmétiques ou l’ingénierie tissulaire. Mais si nous voulons les utiliser dans des appareils électroniques souples, flexibles ou portables, nous devons ajouter de nouvelles fonctionnalités telles que l’étirement mécanique et la conductivité électrique. »

L’année dernière, Ying et Liu ont dévoilé une version précédente d’iSkin qui montrait certaines de ses capacités : il est autoalimenté, non toxique et peut s’étendre jusqu’à 400% de sa taille d’origine.

Plus important encore, plier le matériau crée un changement proportionnel de sa conductivité. Cela lui permet de convertir un mouvement physique en un signal électrique analogue.

« Un physiothérapeute pourrait le coller sur votre genou ou votre coude pour mesurer quand et de combien votre articulation bouge », explique Liu. « Nous l’avons également enduit sur un gant, ce qui nous permet de mesurer et de suivre les mouvements de la main, qui, à leur tour, peuvent être utilisés pour contrôler un robot. C’est un moyen très polyvalent de faciliter toutes sortes d’interactions homme-machine. »

Avec les contributions des étudiants de premier cycle Ryan Chen, Runze Zuo et du doctorant Zhanfeng Zhou, les chercheurs explorent d’autres applications d’iSkin. Par exemple, l’ajout de pièces de matériau à une pince mécanique fournit un ensemble de signaux de retour qui est unique à chaque article saisi. L’analyse des combinaisons de signaux peut alors permettre au robot de « sentir » ce qu’il capte. En combinaison avec des algorithmes d’intelligence artificielle, le robot peut même apprendre à faire la distinction entre les éléments durs et mous, ronds ou cubiques, etc. – et à les trier de manière appropriée.

Jusqu’à présent, iSkin souffrait d’un inconvénient commun à tous les hydrogels : lorsque l’eau qu’il contient gèle, les cristaux de glace qui en résultent peuvent endommager gravement la matrice polymère complexe. L’air frais et sec peut également aspirer l’eau liquide restante hors de l’hydrogel.

Ying et les membres de son équipe ont résolu le problème en ajoutant du glycérol, un produit chimique non toxique couramment utilisé dans tout, des aliments au gel capillaire. Après avoir soigneusement testé des centaines de recettes possibles, ils ont développé une nouvelle formulation iSkin qui augmente la tolérance au froid sans sacrifier les autres propriétés utiles du matériau.

En prime, la nouvelle formulation permet à l’hydrogel d’adhérer encore plus facilement à la peau, aux vêtements et à d’autres matériaux.

« Nous l’avons collé à l’extérieur d’une veste et avons traversé un hiver à Toronto, où il faisait 10 degrés sous zéro », explique Ying. « Nous avons pu prendre les mêmes types de mesures qu’en laboratoire. »

La tolérance au froid et l’amélioration de l’adhérence augmentent encore la liste des applications possibles du matériau. Par exemple, la pince mécanique de tri pourrait désormais fonctionner dans une installation de stockage à basse température où il serait inconfortable pour un humain de travailler.

L’équipe envisage également d’autres possibilités, notamment des robots souples conçus pour grimper sur des terrains accidentés dans des environnements arctiques. À l’avenir, ils prévoient de continuer à développer le matériau et éventuellement de le miniaturiser.


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Plus d’information:
Binbin Ying et al, Une peau ionique antigel, stable à l’environnement et hautement extensible avec une forte adhérence à la surface pour une détection portable et une robotique douce, Matériaux fonctionnels avancés (2021). DOI : 10.1002 / adfm.202104665

Fourni par l’Université de Toronto

Citation: Un matériau de capteur extensible pour alimenter l’électronique portable qui fonctionne dans un froid extrême (2021, 5 août) récupéré le 5 août 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-08-stretchable-sensor-material-power-wearable.html

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