Des ingénieurs conçoivent de minuscules batteries pour alimenter des robots de la taille d’une cellule

Une minuscule batterie conçue par des ingénieurs du MIT pourrait permettre le déploiement de robots autonomes de la taille d’une cellule pour l’administration de médicaments dans le corps humain, ainsi que d’autres applications telles que la localisation de fuites dans les gazoducs.

La nouvelle batterie, qui mesure 0,1 millimètre de long et 0,002 millimètre d’épaisseur (environ l’épaisseur d’un cheveu humain), peut capter l’oxygène de l’air et l’utiliser pour oxyder le zinc, créant ainsi un courant pouvant atteindre 1 volt. C’est suffisant pour alimenter un petit circuit, un capteur ou un actionneur, ont montré les chercheurs.

« Nous pensons que cela va être très bénéfique pour la robotique », déclare Michael Strano, professeur de génie chimique au MIT et auteur principal de l’étude. « Nous créons des fonctions robotiques sur la batterie et commençons à assembler ces composants pour en faire des appareils. »

Ge Zhang, Ph.D. et Sungyun Yang, un étudiant diplômé du MIT, sont les principaux auteurs de l’article, qui paraît dans Robotique scientifique.

Alimenté par des piles

Depuis plusieurs années, le laboratoire de Strano travaille sur de minuscules robots capables de détecter et de réagir aux stimuli de leur environnement. L’un des principaux défis du développement de ces petits robots est de s’assurer qu’ils disposent de suffisamment d’énergie.

D’autres chercheurs ont montré qu’ils pouvaient alimenter des appareils de petite taille grâce à l’énergie solaire, mais cette approche est limitée par le fait que les robots doivent être constamment pointés vers eux par un laser ou une autre source lumineuse. Ces appareils sont appelés « marionnettes » car ils sont contrôlés par une source d’énergie externe. L’insertion d’une source d’énergie telle qu’une batterie à l’intérieur de ces minuscules appareils pourrait leur permettre de se déplacer beaucoup plus loin.

« Les systèmes de marionnettes n’ont pas vraiment besoin d’une batterie, car ils obtiennent toute l’énergie dont ils ont besoin de l’extérieur », explique Strano. « Mais si vous voulez qu’un petit robot puisse accéder à des espaces auxquels vous ne pourriez pas accéder autrement, il doit avoir un plus grand niveau d’autonomie. Une batterie est essentielle pour quelque chose qui ne sera pas lié au monde extérieur. »

Pour créer des robots plus autonomes, le laboratoire de Strano a décidé d’utiliser un type de batterie appelé batterie zinc-air. Ces batteries, qui ont une durée de vie plus longue que de nombreux autres types de batteries en raison de leur densité énergétique élevée, sont souvent utilisées dans les appareils auditifs.

La batterie qu’ils ont conçue est constituée d’une électrode de zinc reliée à une électrode de platine, encastrée dans une bande de polymère appelé SU-8, couramment utilisé en microélectronique. Lorsque ces électrodes interagissent avec les molécules d’oxygène de l’air, le zinc s’oxyde et libère des électrons qui circulent vers l’électrode de platine, créant ainsi un courant.

Dans cette étude, les chercheurs ont montré que cette batterie pouvait fournir suffisamment d’énergie pour alimenter un actionneur, en l’occurrence un bras robotisé qui peut être levé et abaissé. La batterie pourrait également alimenter un memristor, un composant électrique capable de stocker des souvenirs d’événements en modifiant sa résistance électrique, et un circuit d’horloge, qui permet aux appareils robotisés de suivre le temps.

La batterie fournit également suffisamment d’énergie pour faire fonctionner deux types de capteurs différents qui modifient leur résistance électrique lorsqu’ils rencontrent des produits chimiques dans l’environnement. L’un des capteurs est fabriqué à partir de disulfure de molybdène de faible épaisseur atomique et l’autre à partir de nanotubes de carbone.

« Nous fabriquons les éléments de base pour créer des fonctions au niveau cellulaire », explique Strano.

Essaims robotisés

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un fil pour connecter leur batterie à un appareil externe, mais dans leurs travaux futurs, ils prévoient de construire des robots dans lesquels la batterie est intégrée à un appareil.

« Cela constituera le cœur de beaucoup de nos efforts en matière de robotique », explique Strano. « On peut construire un robot autour d’une source d’énergie, un peu comme on peut construire une voiture électrique autour d’une batterie. »

L’un de ces efforts consiste à concevoir de minuscules robots qui pourraient être injectés dans le corps humain, où ils pourraient rechercher un site cible et ensuite libérer un médicament tel que l’insuline. Pour une utilisation dans le corps humain, les chercheurs envisagent que les dispositifs soient fabriqués à partir de matériaux biocompatibles qui se briseraient une fois qu’ils ne seraient plus nécessaires.

Les chercheurs travaillent également sur l’augmentation de la tension de la batterie, ce qui pourrait permettre des applications supplémentaires.

Cet article est republié avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.