Mecatronique souple : actionnement electrostatique – SMArT

Les polymères électro-actifs sont de nouveaux matériaux souples susceptibles d’extensions réversibles de plusieurs dizaines de pourcents lorsqu’un un champ électrique leur est appliqué (en comparaison, la déformation maximale des céramiques piézo-électriques est limitée à une fraction de pourcent). Leur étude connaît actuellement un fort engouement dans le milieu académique international. Une des motivations est la mise en valeur des propriétés uniques de ces systèmes pour des applications en “soft robotics”. L’enjeu est de concevoir des dispositifs très complaisants capables de se déplacer dans des environnements exigus et topographiquement complexes, ou de manipuler des objets fragiles. Cependant, peu d’applications concrètes existent actuellement en dehors de quelques capteurs de déformation, probablement en raison des faibles forces que ces systèmes peuvent générer.

L’objectif du projet SMArT est de développer de nouvelles pistes pour des applications innovantes en mécatronique en partant de l’étude d’élastomères diélectriques. Il s’agit de l’utilisation d’instabilités électro-mécaniques pour obtenir des structures à rigidité variable utiles dans le contrôle de vibrations; des systèmes de récupération d’énergie mécanique; et, sur le plus long terme, des systèmes électro-microfluidiques à usage médical ainsi que des outils de caractérisation de tissus biologiques mous. La réalisation de tels systèmes est néanmoins soumise à la compréhension fondamentale des interactions électro-élastiques, des propriétés multi-échelles des réseaux polymériques et des couplages entre les forces interfaciales et de volume.

Le projet s’inscrit pleinement dans l’axe 3 (Matériaux et procédés) du Défi 3. Il ambitionne de stimuler le renouveau industriel en créant de nouveaux matériaux polymériques électroactifs, qui reposent dans leur principe sur la multiplicité d’échelles physiques et de fonctions. Le projet mettra en œuvre différents procédés innovants de fonctionnalisation et de traitement de surface pour obtenir des propriétés contrôlées de conductivité et de mouillage. Le projet vise à obtenir de nouvelles fonctions électromécaniques en jouant sur la géométrie, la topologie, l’organisation structurale et des gradients de propriétés aux interfaces.

La mise en œuvre du projet sera organisée selon quatre "work packages" complémentaires, dont le premier constitue une base fondamentale nécessaire à la progression des autres tâches:
- WP 0: Fabrication, modélisation et caractérisation des polymères et des électrodes
- WP 1: Etude et utilisation d’instabilités électro-mécaniques
- WP 2: Récupération d’énergie et détection par des structures souples
- WP 3: Contrôle des propriétés interfaciales
- WP 4: Prototype de démonstration des applications les plus prometteuses

Des expériences préliminaires ont été conduites dans les deux équipes expérimentales et nous ont permis de déterminer certains des verrous technologiques ou de compréhension théorique. Cette expérience nous a conduit à constituer une équipe complémentaire pour mener à bien ce projet : il est ainsi porté par des spécialistes de la mécanique non-linéaire et de physico-chimie. Les activités expérimentales seront soutenues par des travaux théoriques et numériques. L’équipe bénéficie actuellement d’étudiants expérimentateurs et sera complétée par un postdoctorant qui sera en charge de mener les simulations numériques. L’entreprise Cedrat Technologies, leader dans le domaine de la mécatronique, apportera son savoir-faire en électronique d’actuation et de détection, en essais mécaniques et en bureau d’étude à toutes les étapes du projet. Son rôle sera également déterminant dans la sélection puis la transformation des preuves de concept en prototypes de démonstration en vue d’un futur développement industriel de ces nouvelles technologies.