Des scientifiques développent un tissu actif imprimé en 3D pour les dispositifs médicaux et la robotique souple

Des scientifiques de l’Université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapore), ont développé un tissu portable innovant, flexible mais capable de se rigidifier à la demande.

Développée grâce à une combinaison de conception géométrique, d’impression 3D et de contrôle robotique, la nouvelle technologie, RoboFabric, peut rapidement être transformée en dispositifs médicaux ou en robotique souple, comme des membres pour drones.

L’équipe de recherche de la NTU a développé un support de coude à partir de ce matériau polyvalent, qui aide les personnes à porter des charges plus lourdes. Un prototype de support de poignet a également été fabriqué, ce qui pourrait aider à stabiliser les articulations pour les activités quotidiennes et bénéficier aux patients atteints de la maladie de Parkinson qui souffrent de tremblements.

Inspirée des écailles des pangolins et des tatous qui s’entrelacent pour former une carapace protectrice, la première étape de la fabrication de cette technologie en instance de brevet est un algorithme mathématique avancé qui conçoit un système de tuiles imbriquées.

Les tuiles imprimées en 3D sont ensuite assemblées par des fibres métalliques passant par de minuscules canaux entre elles, ou par un boîtier souple externe, ce qui nécessite l’application constante d’une pression d’air négative ou d’un vide.

Lorsque les fibres sont contractées, les tuiles s’entrelacent et se rigidifient, augmentant la rigidité du RoboFabric plus de 350 fois et offrant une résistance et une stabilité supplémentaires.

Selon les conclusions de l’équipe de recherche publiées dans Matériaux avancésl’activité musculaire humaine peut être réduite jusqu’à 40 % lorsque l’appareil assiste les articulations lors du levage de charges.

Wang Yifan, professeur adjoint à l’École d’ingénierie mécanique et aérospatiale de l’Université nationale de Nanyang, a déclaré : « Nous avons été inspirés par la façon dont les animaux ont souvent de multiples fonctionnalités pour leurs membres grâce à l’utilisation de structures complexes, un peu comme la transformation de forme et la variation de rigidité chez les pieuvres. »

« Nous envisageons qu’à l’avenir, les patients qui ont besoin d’un plâtre pour des fractures puissent avoir la possibilité de personnaliser un support de membre flexible semblable à du tissu avant de se raidir. Contrairement aux plâtres rigides et inamovibles classiques, ils seraient également faciles à mettre ou à retirer par simple pression sur un bouton. Dans l’utilisation quotidienne, les supports articulaires peuvent également aider les personnes âgées dans leurs tâches quotidiennes, en contribuant à réduire la force musculaire nécessaire pour des charges plus lourdes », a ajouté le professeur Wang, qui est également du centre de recherche en robotique de la NTU.

Pour personnaliser le support articulaire, un scan 3D d’un poignet ou du coude est téléchargé sur un logiciel propriétaire, grâce auquel un algorithme spécial peut automatiquement disséquer un modèle 3D en des dizaines de tuiles géométriques qui peuvent être imprimées en 3D en seulement une heure.

Les fibres métalliques doivent ensuite être enfilées dans les trous entre les tuiles et connectées à un appareil électrique qui peut rapidement serrer ou desserrer les câbles.

Ce processus d’enfilage est actuellement effectué à la main, mais l’équipe affirme qu’il pourrait être automatisé à l’avenir, de la même manière que les raquettes de badminton sont re-cordées à l’aide d’une machine.

Dans un commentaire indépendant sur la technologie RoboFabric, le professeur associé adjoint Loh Yong Joo, chef et consultant principal au département de médecine de réadaptation de l’hôpital Tan Tock Seng (TTSH), a déclaré que l’invention de NTU était prometteuse pour les applications en médecine de réadaptation.

« Cette technologie pourrait être potentiellement utile dans plusieurs cas, comme chez les personnes souffrant de blessures articulaires, car elle pourrait permettre un ajustement sûr de l’amplitude des mouvements pendant la récupération.

« Pour les personnes souffrant d’une faiblesse motrice des membres supérieurs, comme les patients ayant subi un AVC, RoboFabric pourrait apporter un soutien pour effectuer certaines tâches fonctionnelles », a déclaré le professeur Loh, qui est également directeur des innovations cliniques au TTSH.

« De plus, les personnes souffrant de troubles du mouvement comme la maladie de Parkinson peuvent bénéficier de la stabilité offerte par RoboFabric, qui stabilise la trajectoire du mouvement pour réaliser des tâches fonctionnelles en toute sécurité. S’il est adapté aux applications au niveau du genou à l’avenir, il pourrait même servir d’orthèse stabilisatrice pour améliorer les schémas de marche et aider à prévenir les chutes. »

Utile pour les robots et les drones

RoboFabric pourrait également être appliqué à la robotique. Dans leur dernier article de recherche, publié dans Robotique scientifiqueL’équipe du professeur Wang présente un minuscule robot constitué de fines tuiles en forme de vague scellées dans une enveloppe élastique.

Lorsqu’un vide est appliqué, le RoboFabric prend sa forme initiale et devient rigide. À l’inverse, lorsque la pression du vide est supprimée, il se détend et devient souple.

Cette action de rigidification et d’assouplissement permet au petit robot de grimper comme un ver ou de nager dans l’eau, de transporter de petites charges ou de protéger des biens fragiles en formant une coque rigide autour d’eux. Ces capacités sont importantes pour les robots d’exploration et de sauvetage qui doivent se déplacer sur des terrains complexes et fournir une protection à la demande.

Dans une autre démonstration, quatre robots de ce type sont combinés pour former une pince robotisée sur un drone. Lorsqu’elle est rendue rigide, la pince souple se recroqueville et peut ramasser de petits objets, à la manière d’une machine à pinces. Pour laisser tomber les objets, elle se détend.

La pince sert également de coussin amortisseur pour les atterrissages difficiles lorsqu’elle se recroqueville. Bien que souples, les pinces peuvent être repliées dans le corps du drone et n’affectent pas sa fonction de vol.

L’équipe étudie des collaborations avec des partenaires industriels qui ont manifesté leur intérêt pour cette technologie et espère s’associer à eux pour des essais de déploiement dans les secteurs de la santé et de la robotique, car cette technologie fabriquée à Singapour offre de nouvelles solutions pour le soutien médical et améliore la fonctionnalité des drones ou des robots d’exploration.