Comment les chercheurs de Stanford tentent de reproduire le sens du toucher

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Les scientifiques du Bao Research Group de l’Université de Stanford, spécialisé dans les nano-technologies, sont parvenus à recréer une peau souple, robuste et électronique.

Prothèses, nano-technologies et sens du toucher

Une grande partie de la recherche scientifique est menée à des fins médicales. Les récentes percées dans les domaines des exo-squelettes et des prothèses intelligentes ont été réalisées soit dans le cadre d’un programme militaire, soit dans le cadre d’un programme de soutien aux handicapés ou amputés. Le programme LUKE de la Darpa conjugue d’ailleurs les deux : il vise à redonner l’usage de leurs jambes à ses amputés de guerre.

Zhenan Bao est une spécialiste des nanotechnologies et notamment des matériaux intelligents. Formée à la chimie à Chicago et Nankin, elle a fait ses premières classes au laboratoire Bell du fabricant de téléphones Nokia avant de rejoindre le corps enseignant de la prestigieuse Université de Stanford dans les années 2000. Depuis, elle cumule les prix et distinctions. Elle figure notamment dans la liste des innovateurs de moins de 35 ans du MIT Technology Review. Elle a été élue parmi les 13 professeurs les plus impressionnants de son université et a même été sélectionnée pour siéger à l’Académie National d’Ingénierie, qui compte 2500 membres.

Elle a pris la tête de son propre laboratoire, le Bao Research Group, spécialisé dans la R&D de nano-matériaux de pointe : transistors flexibles, cellules photovoltaïques biologiques, semi-conducteurs transparents… Autant d’innovations qui permettent de créer des peaux qui changent de couleur et des polymères qui changent de forme selon la température ambiante. Leur principal centre d’intérêt ? La reproduction de la sensation du toucher sur des prothèses artificielles. Pour ce faire, le laboratoire a fait du développement de peaux électroniques son cœur de métier.

Le Bao Research Group à l’avant-garde des nano-matériaux

Voilà plus de dix ans que Zhenan Bao s’attaque aux matériaux capables d’imiter la peau humaine. Et la tâche n’est pas mince. Car pour être totalement efficace, la peau synthétique doit reproduire les principaux atouts de notre peau naturelle : son élasticité, sa capacité de régénération et son sens du toucher. Trois caractéristiques que les chercheurs sont d’ores et déjà en mesure de reproduire, mais individuellement. De nombreuses prothèses robotisées équipées de capteurs ont déjà été dévoilées par plusieurs universités et une équipe de scientifiques de l’Université Carnegie Mellon se repose même sur le toucher pour apprendre à leur machine à reconnaître les objets.

Selon une publication de janvier 2016 dans la revue Nature Materials, les chercheurs expliquent que « la reproduction des propriétés de la peau en utilisant des appareils électroniques pourrait avoir de profondes implications sur la prothétique et la médecine » avant d’ajouter que notre peau se démarque par son élasticité, sa durabilité mécanique, sa biodégradabilité et sa capacité à ressentir une grande variété de sensations. C’est la raison pour laquelle la recherche dans ce domaine est particulièrement difficile et néanmoins indispensable.

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En 2015, son équipe s’illustrait pour avoir créé l’une des premières prothèses capables de retranscrire le sens du toucher en le transmettant directement au cerveau de l’utilisateur.

Le principal défi qui guette les travaux de l’équipe de Bao, c’est celui de la miniaturisation à moindre coût. Impossible de se contenter des composants du marché, il a donc fallu concevoir et produire leur propre gamme de composants électroniques miniatures.

Pour reproduire ce sens du toucher, son équipe intègre des fils conducteurs à ses recettes de caoutchouc maison. Et à défaut d’équiper chaque prothèse des 17 000 capteurs que compte la main humaine, les modèles artificiels ont été dotés de quelques fils conducteurs et de capteurs. Ce sont eux qui chargent de véhiculer les signaux captés au bout des doigts, tandis que les matériaux souples développés par le laboratoire font montre d’une extraordinaire polyvalence. Ils peuvent se contracter, se rétracter et même s’auto-régénérer. Un processus d’auto-régénération qui s’opère lorsque la température descend sous la barre des -20°C.

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Dernièrement, une équipe du laboratoire est même parvenue à recréer une peau artificielle de moins de 3 cm capable de s’étirer jusqu’à plus de 250 cm, soit près de 100 fois sa longueur d’origine. L’exploit a été tel que les chercheurs eux-mêmes ne s’y attendaient pas le moins du monde. Leur machine de test ne pouvant étirer un élastomère que sur une distance de 115 cm, ils ont dû opter pour une technique plus… traditionnelle. Deux des membres de l’équipe se sont contentés d’attraper chacun un bout et de s’éloigner l’un de l’autre le plus possible. Avant d’arriver aux deux extrémités de la pièce…

Pour arriver à ce niveau d’élasticité (tout en préservant les autres caractéristiques), les chercheurs du Bao Lab ont conçu un tout nouveau matériau reposant sur le principe chimique du crosslinking. Un procédé qui permet de créer des chaînes linéaires inter-moléculaires sur le modèle d’un filet de pêche, mais constitué de polymère. Ces molécules biologiques ont étés attachées aux fibres de polymères afin de constituer des ligands, qui, en formant des chaînes, reproduisent cette élasticité phénoménale. A cela, il a fallu ajouter des ions métalliques, compatibles avec les ligands, pour créer une robustesse digne d’un élément métallique. Côté auto-réparation, le processus est encore plus simple : « chaque ion métallique s’accroche au moins à deux ligands, de façon à ce que, si un des ligands échappe à son emprise, l’ion métallique reste connecté par l’autre ligand. Et une fois que la pression se relâche, l’ion qui s’était détaché peut de nouveau se connecter à son ligand » explique Zhenan Bao.

Avec cette découverte, Bao espère révolutionner la fabrication de muscles artificiels, rarement résistants sur le long terme et incapables de s’auto-réparer. Ses trouvailles pourraient bien concurrencer celles du Wyss Institute de l’Université d’Harvard qui avait présenté un nouveau muscle artificiel à base d’élastomère dont le fonctionnement reposait sur le principe de la pression inversée.

Lien vers les travaux du Bao Research Group.


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