Une fibre inédite pour des textiles intelligents

Des chercheurs de l’EPFL ont trouvé un moyen simple et rapide de fabriquer des fibres multi-matériaux super-élastiques et ultra-performantes. Certaines d’entre elles ont déjà fonctionné comme capteurs sur un doigt robotique et dans des textiles. La méthode ouvre la voie à la fabrication de textiles intelligents et d’implants médicaux inédits.


C’est un capteur d’un genre totalement nouveau. Il se présente sous la forme d’une minuscule fibre d’élastomère, qui intègre divers matériaux, tels que des électrodes ou des polymères nano-composites. Cette fibre est capable de ressentir très précisément chaque pression et distorsion exercée sur elle, et peut se déformer de près de 500%, avant de retourner à sa taille initiale. Un candidat idéal pour concevoir des textiles intelligents, équiper des prothèses médicales ou constituer des nerfs artificiels pour la robotique.

Cette découverte sort tout droit du Laboratoire des fibres et matériaux photoniques FIMAP, dirigé par Fabien Sorin à la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL. Les chercheurs y ont mis au point un procédé simple et rapide pour intégrer toutes sortes de microstructures au coeur de fibres super-élastiques. En plaçant plusieurs électrodes à des emplacements stratégiques, les fibres deviennent des capteurs extrêmement sensibles. Le procédé permet de produire plusieurs centaines de mètres de fibres en peu de temps. Il est décrit dans Advanced materials.

Chauffer, puis tirer !
Pour réaliser leurs fibres, les scientifiques effectuent un fibrage à chaud (thermal drawing), une méthode classique utilisée pour fabriquer les fibres optiques. Dans un premier temps, Une version macroscopique de la fibre est assemblée, avec des matériaux qui sont organisés selon un motif tridimensionnel bien défini. Cette préforme est ensuite chauffée, puis étirée comme du plastique fondu, jusqu’à former des fibres de quelques centaines de microns de diamètre. A l’intérieur, les motifs s’allongent le long de l’axe de la fibre, mais rétrécissent dans la direction transverse. Ainsi, leur positionnement relatif ne change pas. On obtient une fibre dotée d’une microarchitecture d’une grande complexité, avec des propriétés avancées.

Jusqu’ici, seules des fibres rigides pouvaient être produites avec cette méthode. Fabien Sorin et son équipe l’ont utilisée pour fabriquer des fibres élastiques. Grâce à un nouveau critère de sélection des matériaux, ils ont pu identifier un type d’élastomères thermoplastiques, qui présentent une viscosité élevée lors du chauffage. Une fois le fibrage terminé, ces fibres peuvent être étirées et déformées, mais elles retournent toujours à leur état originel.

A l’intérieur de ces fibres, il a été possible d’introduire des matériaux rigides comme des polymères nano-composites, des métaux, des thermoplastiques, mais aussi des métaux liquides qui peuvent se déformer facilement. «Nous pouvons par exemple placer trois canaux d’électrodes en haut de la fibre et un en bas. Selon la direction d’où vient la pression, différentes électrodes entreront en contact, envoyant un signal spécifique. Cela nous permet de connaître précisément le type de déformation subi par la fibre, et de distinguer une compression d’un cisaillement, par exemple», explique Fabien Sorin.

Un nerf artificiel pour les robots
En collaboration avec Oliver Brock (Robotics and Biology Laboratory, Technical University of Berlin), les chercheurs ont déjà pu intégrer leurs fibres sur des doigts robotiques, en tant que nerfs artificiels. A chaque « toucher », la fibre déformée envoie des indications sur l’interaction entre le robot et son environnement tactile. Des fibres ont également été ajoutées à un vêtement test à grosses mailles, dans l’idée de détecter les pressions et étirements. «Nous pourrions envisager intégrer un clavier tactile directement dans les vêtements, par exemple», illustre Fabien Sorin.

Les chercheurs envisagent de nombreuses autres applications. Cela d’autant que leur procédé de fabrication est facilement adaptable pour une production à grande échelle. Un atout pour le secteur industriel. Le secteur du textile a déjà exprimé un fort intérêt pour cette nouvelle technologie, et des brevets ont été déposés.

Références


Yunpeng Qu, Tung Nguyen-Dang, Alexis Gérald Page, Wei Yan, Tapajyoti Das Gupta, Gelu Marius Rotaru, René M. Rossi, Valentine Dominique Favrod, Nicola Bartolomei, and Fabien Sorin, Super-elastic Multi-material Electronic and Photonic Fibers and Devices via Thermal Drawing , Advanced materials