Le moteur à fil dynamise la robotique souple

En 2023, le laboratoire des microsystèmes souples de l’EPFL a présenté la première pompe au monde sous forme de fibre. Ce tube flexible est capable de générer lui-même de la pression et un débit. Cousu directement dans des textiles intelligents, il permet de faire circuler des fluides afin, par exemple, de réguler la température corporelle, de produire des retours haptiques ou d’alimenter en énergie des systèmes d’assistance portables.

L’équipe de recherche de la Faculté d’ingénierie a désormais franchi une nouvelle étape : avec le FiberMotor, elle a mis au point un moteur filiforme qui transforme directement l’énergie électrique en mouvement. D’un diamètre compris entre 1 et 3 millimètres, il est constitué de deux fibres creuses disposées de manière concentrique. Chaque fibre est entourée d’électrodes constituées de fil de cuivre isolé, légèrement plus fin qu’un cheveu humain. Lorsqu’une tension est appliquée aux électrodes, des forces électrostatiques alignent les fibres de manière répétée. La fibre interne glisse alors à l’intérieur de la fibre externe, à l’instar des tubes emboîtés les uns dans les autres d’un télescope.

Le FiberMotor est le premier moteur à fibres coulissantes », se réjouit Herbert Shea, directeur du laboratoire. « Il génère suffisamment de force pour actionner des applications en robotique souple, tout en restant pratiquement imperceptible, flexible et mobile dans les deux sens. » Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue spécialisée Advanced Materials.

De nombreux mouvements quotidiens, tels que soulever, pousser ou tirer, reposent sur des mouvements linéaires plutôt que rotatifs. Les reproduire a longtemps constitué un défi dans le domaine de la robotique portable. En effet, les moteurs qui génèrent suffisamment de force pour des mouvements linéaires nécessitent souvent des engrenages rigides, des systèmes de transmission de force et d’autres composants encombrants.

Certes, des « muscles artificiels » ont déjà été développés, mais leur amplitude de mouvement est limitée par la capacité des matériaux utilisés à s’étirer, à se contracter ou à se courber. Avec le FiberMotor, en revanche, l’amplitude de mouvement possible dépend uniquement de la longueur des fibres.

Comme le moteur fonctionne sans engrenage ni transmission mécanique, il est en outre réversible. Cela signifie qu’il peut être déplacé par une force opposée exercée de l’extérieur sans subir de dommages. Il peut ainsi interagir de manière plus naturelle avec les mouvements humains que les moteurs conventionnels. Si, par exemple, la personne qui porte le moteur effectue un mouvement inattendu ou contraire à la direction prévue, les fibres glissent simplement les unes sur les autres au lieu de se bloquer.

Lors d’essais en laboratoire, un seul FiberMotor a pu supporter des charges statiques d’environ 75 grammes. Quatre moteurs combinés ont généré suffisamment de force pour soulever une barre chocolatée de 46 grammes et plier un doigt de robot actionné par un tendon.

L’équipe de recherche a également intégré un FiberMotor dans le prototype d’un vêtement qui épouse la forme d’un genou. Ces moteurs étant fins et légers, ils pourraient à l’avenir être répartis sur toute la surface d’un textile intelligent. Au lieu de concentrer la force dans une seule unité motrice rigide, celle-ci pourrait ainsi être générée à différents endroits du vêtement.

À long terme, les chercheurs souhaitent exploiter cette combinaison unique de force et de souplesse pour développer des systèmes d’assistance portables. Parmi les applications envisageables figurent des exosquelettes souples destinés à faciliter la mobilité, des systèmes haptiques portables pour la réalité virtuelle ainsi que des prothèses légères.

Actuellement, l’équipe s’efforce d’améliorer encore les performances et la durée de vie du FiberMotor. Pour ce faire, elle prévoit d’utiliser des électrodes encore plus fines, composées principalement de matériau isolant. De plus, les matériaux utilisés sont en cours d’optimisation. Un autre axe de recherche porte sur l’intégration de retours d’information concernant la position et les mouvements de la personne qui porte le système. Cela devrait permettre au moteur d’adapter rapidement son fonctionnement au mouvement souhaité.