La recherche a parfois besoin d'un sacrifice. Le chercheur de l'Empa Patrick Danner vient d'en faire un - et de le filmer. "Lorsque j'ai appliqué une bonne dose de 2000 volts sur l'échantillon, il a pris feu", raconte-t-il avec humour dans le débriefing. La mésaventure est clairement visible sur la vidéo de son téléphone portable : D'abord de la fumée, puis des flammes jaillissent du polymère créé par l'expérience. "Avec un peu de chance, vous avez quand même pu en sauver un morceau", rétorque Dorina Opris, responsable du groupe de recherche "Matériaux polymères fonctionnels". Un morceau de preuve est important pour tirer des enseignements du résultat et tirer des conclusions.
Avec leurs recherches sur les polymères électroactifs, Dorina Opris et Patrick Danner font partie d'un projet à grande échelle appelé "Manufhaptics". L'objectif de ce projet de quatre ans, dirigé par Herbert Shea du Soft Transducers Lab de l'EPFL, est un gant qui rend les mondes virtuels tangibles. Tous les composants du gant, qui exercent diverses forces sur la surface de la main, doivent pouvoir être produits par une imprimante 3D. Il s'agit donc d'une recherche sur de nouveaux matériaux, la méthode de production étant prise en compte dès le départ.

Trois types d'actionneurs

Pour que les surfaces virtuelles paraissent réelles et les objets tangibles à la bonne taille, les équipes de recherche de l'EPFL, de l'ETH Zurich et de l'Empa veulent intégrer trois types d'actionneurs différents dans le gant : Sous les doigts, des boutons peuvent se développer pour reproduire une texture spécifique d'une surface. Dans la zone des articulations des doigts, des freins électrostatiques sont montés qui rigidifient le gant et bloquent les articulations. Cela permet de simuler des objets plus larges et solides qui offrent une résistance lorsqu'on les touche. Le troisième type d'actionneurs qui complète l'expérience virtuelle est appelé DEA (Dielectric Elastomer Actuator). Ces DEA sont utilisés sur le dos de la main ; ils resserrent la peau extérieure du gant afin qu'il s'adapte parfaitement en tout point. Pendant l'expérience de RV, ils peuvent également appliquer une pression sur la surface de la main. Ceux de la DEA sont le sujet de l'Empa.

Les "muscles" sortis de l'imprimante 3D

Des acutateurs électrostatiques à amplification hydraulique de la taille d'un millimètre procurent une sensation de toucher et de texture. Des actuateurs électrostatiques à embrayage de grande force, qui peuvent bloquer les articulations des doigts et donner aux objets virtuels une sensation de solidité. Des actuateurs diélectriques-élastomères multicouches pour le dimensionnement actif du gant et la compression locale. Illustration: Herbert Shea, EPFL (2021)
Dorina Opris, la responsable du groupe de recherche, a des années d'expérience avec ces polymères électroactifs. "Ils réagissent aux champs électriques et se contractent comme un muscle", explique la chercheuse. "Mais ils peuvent aussi servir de capteur, en absorbant une force extérieure et en générant une impulsion électrique à partir de celle-ci. Nous pensons également les utiliser pour récolter de l'énergie localement : A partir du mouvement, l'électricité peut ainsi être générée n'importe où."
Le projet Manufhaptics présente de nouveaux défis pour Dorina Opris et son collègue Patrick Danner. "Jusqu'à présent, nous produisions nos polymères à l'aide de solvants par une synthèse chimique, explique Dorina Opris. Maintenant, tout doit fonctionner sans solvants : Le plan consiste à superposer jusqu'à 1000 couches fines issues de l'imprimante 3D, en alternant toujours le polymère électroactif et une couche conductrice de courant. "Il faut éviter les solvants dans un tel processus", explique Dorina Opris. Patrick Danner explique la difficulté suivante : Les deux encres nécessaires à la fabrication des couches doivent avoir exactement la bonne consistance pour s'écouler de la buse de l'imprimante 3D. "Notre partenaire de projet, Jan Vermant de l'ETH Zurich, veut quelque chose dont les propriétés sont similaires à celles d'une crème pour les mains. Elle doit sortir facilement de l'imprimante et rester ensuite dimensionnellement stable sur la base." Et après cela, cette structure en couches "crémeuse" doit encore être réticulée dans le polymère approprié.
Après une longue série de tests, Patrick Danner a trouvé une formulation prometteuse - une crème suffisamment liquide et en même temps dimensionnellement stable, à partir de laquelle des polymères électroactifs peuvent être créés en une seule étape. Son collègue Tazio Pleji de l'ETH Zurich, membre de l'équipe de Jan Vermont, a réussi à transformer le matériau en plusieurs couches dans son imprimante 3D - en alternant toujours entre polymère et matériau d'électrode. Il n'y a pas encore 1 000 couches, mais seulement une dizaine, et le muscle artificiel issu de l'imprimante 3D ne fonctionne pas encore de manière satisfaisante.

La compétition se trouvent à Harvard

Mais Dorina Opris et Patrick Danner sont convaincus de maîtriser la tâche avec les spécialistes de l'impression de l'ETH Zurich - peut-être en tant que première équipe au monde. Les seuls concurrents scientifiques dans ce domaine sont basés à la célèbre université de Harvard, dans le Massachusetts. "Je connais les collègues de cette université pour avoir participé à des congrès", explique Dorina Opris. "Nous observons de très près ce qu'ils font. Et ils observent certainement aussi nos travaux."

Réalité virtuelle: Le gant VR sorti de l'imprimante 3D