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De minuscules robots vibrants de la taille de la plus petite fourmi du monde

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Des essaims de ces " micro-bots à poils " pourraient travailler ensemble pour détecter les changements environnementaux, déplacer des matériaux - ou peut-être un jour réparer les blessures à l'intérieur du corps humain

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Les chercheurs ont créé un nouveau type de robot minuscule imprimé en 3D qui se déplace en exploitant les vibrations des actionneurs piézoélectriques, des sources ultrasonores ou même des haut-parleurs minuscules. Les essaims de ces " micro-bots à poils " pourraient travailler ensemble pour détecter les changements environnementaux, déplacer des matériaux - ou peut-être un jour réparer les blessures à l'intérieur du corps humain.

Les robots prototypes réagissent à différentes fréquences de vibration en fonction de leur configuration, ce qui permet aux chercheurs de contrôler des robots individuels en ajustant la vibration. Environ deux millimètres de long - de la taille de la plus petite fourmi du monde - les robots peuvent couvrir quatre fois leur propre longueur en une seconde malgré les limitations physiques de leur petite taille.

"Nous nous efforçons de rendre la technologie robuste et nous avons beaucoup d'applications potentielles en tête ", a déclaré Azadeh Ansari, professeur adjoint à l'École de génie électrique et informatique du Georgia Institute of Technology. "Nous travaillons à l'intersection de la mécanique, de l'électronique, de la biologie et de la physique. C'est un domaine très riche et il y a beaucoup de place pour des concepts multidisciplinaires."

Un article décrivant les micro-bots à poils a été accepté pour publication dans le Journal of Micromechanics and Microengineering. La recherche a été soutenue par une subvention de démarrage de Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology. En plus d'Ansari, l'équipe de recherche comprend le professeur Jun Ueda, professeur associé à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, et DeaGyu Kim et Zhijian (Chris) Hao, étudiants diplômés.

Les micro-bots à micro-poils sont constitués d'un actionneur piézoélectrique collé sur un corps polymère qui est imprimé en 3D à l'aide d'une lithographie de polymérisation à deux photons (TPP). L'actionneur génère des vibrations et est alimenté de l'extérieur parce qu'aucune pile n'est assez petite pour tenir dans le bot. Les vibrations peuvent également provenir d'un secoueur piézoélectrique sous la surface sur laquelle les robots se déplacent, d'une source ultrasonore ou sonore, ou même d'un petit haut-parleur acoustique.

Les vibrations font monter et descendre les jambes élastiques, propulsant le micro-bot vers l'avant. Chaque robot peut être conçu pour répondre à différentes fréquences de vibration en fonction de la taille, du diamètre, de la conception et de la géométrie globale de la jambe. L'amplitude des vibrations contrôle la vitesse à laquelle les microbots se déplacent.

"Au fur et à mesure que les robots à micropoils montent et descendent, le mouvement vertical se traduit par un mouvement directionnel en optimisant le design des jambes, qui ressemblent à des soies ", explique Ansari. "Les pattes du micro-robot sont conçues avec des angles spécifiques qui leur permettent de se plier et de se déplacer dans une direction en réponse résonante à la vibration."

Les micro-bots à micro-poils sont fabriqués dans une imprimante 3D en utilisant le procédé TPP, une technique qui polymérise un matériau de résine monomère. Une fois que la partie du bloc de résine frappée par la lumière ultraviolette a été développée chimiquement, le reste peut être lavé, laissant la structure robotique souhaitée.

"C'est de l'écriture plutôt que de la lithographie traditionnelle ", explique Ansari. "Il vous reste la structure que vous écrivez au laser sur la résine. Le processus prend maintenant un certain temps, alors nous cherchons des moyens de l'augmenter pour en faire des centaines ou des milliers de microbots à la fois." Certains robots ont quatre pattes, tandis que d'autres en ont six. Le premier auteur, DeaGyu Kim, a réalisé des centaines de petites structures pour déterminer la configuration idéale.

Les actionneurs piézoélectriques, qui utilisent le matériau plomb-titanate de zirconate (PZT), vibrent lorsque la tension électrique leur est appliquée. En sens inverse, ils peuvent également être utilisés pour générer une tension, lorsqu'ils sont soumis à des vibrations, capacité que les micro-bots à poils pourraient utiliser pour alimenter les capteurs embarqués lorsqu'ils sont actionnés par des vibrations externes.

Ansari et son équipe s'efforcent d'ajouter des capacités de pilotage aux robots en assemblant deux micro-bots à poils légèrement différents. Étant donné que chacun des micro-bots réunis répondrait à des fréquences de vibration différentes, la combinaison pourrait être pilotée en faisant varier les fréquences et les amplitudes. "Une fois que vous avez un micro-robot entièrement orientable, vous pouvez imaginer faire beaucoup de choses intéressantes ", dit-elle.

D'autres chercheurs ont travaillé sur des micro-robots qui utilisent les champs magnétiques pour produire du mouvement, a noté Ansari. Bien que cela soit utile pour déplacer des essaims entiers à la fois, les forces magnétiques ne peuvent pas facilement être utilisées pour s'attaquer à des robots individuels dans un essaim. Les micro-robots à poils créés par Ansari et son équipe sont considérés comme les plus petits robots alimentés par des vibrations.

Les micro-bots à poils mesurent environ deux millimètres de long, 1,8 millimètre de large et 0,8 millimètre d'épaisseur, et pèsent environ cinq milligrammes. L'imprimante 3D peut produire des robots plus petits, mais avec une masse réduite, les forces d'adhérence entre les petits appareils et une surface peuvent devenir très grandes. Parfois, les micro-robots ne peuvent pas être séparés des pinces utilisées pour les ramasser.

Ansari et son équipe ont construit un "terrain de jeu" dans lequel de multiples micro-bots peuvent se déplacer à mesure que les chercheurs en apprennent davantage sur ce qu'ils peuvent faire. Ils s'intéressent aussi au développement de micro-bots capables de sauter et de nager.

"Nous pouvons observer le comportement collectif des fourmis, par exemple, et appliquer ce que nous apprenons d'elles à nos petits robots ", a-t-elle ajouté. "Ces micro-bots en soie marchent bien dans un environnement de laboratoire, mais il y a encore beaucoup à faire avant qu'ils puissent sortir dans le monde extérieur."