Apporter l’art de l’origami et du kirigami à la robotique et à la technologie médicale

Traditionnellement, lorsqu’il s’agit de structures microscopiques auto-assemblées de haute technologie destinées à l’administration de médicaments et de préhenseurs raffinés et délicats pour la robotique, il y a eu une pénurie d’options efficaces et économiques. Bien que certaines options existent, elles sont rarement aussi efficaces que souhaité, les mécanismes d’administration de médicaments microscopiques, par exemple, n’ayant pas la porosité optimale. De même, en robotique dite douce, de nombreux compromis ont dû être faits.

Une technologie prometteuse ici implique la manipulation de structures plates d’une manière qui leur permet soit de s’auto-assembler en structures 3D, soit de se transformer de manière non destructive en structures 3D avec des caractéristiques spécifiques telles que des pinces qui pourraient être utiles à la fois micro et macroscopiques. applications, dont la robotique.

La partie la plus intéressante est peut-être la quantité de ces technologies empruntées à l’art japonais de l’origami et au kirigami associé.

Appartement c’est mieux

Échafaudages auto-pliants dans des géométries anatomiquement pertinentes.  (Randall et al., 2012)
Échafaudages auto-pliants dans des géométries anatomiquement pertinentes. (Randall et al., 2012)

Plutôt que d’essayer de construire des structures tridimensionnelles, il est beaucoup plus efficace si l’on peut amadouer des feuilles d’un matériau ou même des molécules individuelles pour qu’elles s’auto-assemblent dans la forme souhaitée. Dans le domaine du génie biomédical, par exemple, il existe de nombreux cas d’utilisation pour tout, des mécanismes d’administration de médicaments qui peuvent administrer précisément et efficacement certains médicaments là où ils sont nécessaires, aux outils chirurgicaux microscopiques tels que les pinces qui peuvent être contrôlées à l’aide de déclencheurs externes.

Dans un article de synthèse de Randall et al. (2012), les applications potentielles et l’état de l’art à l’époque ont été explorés, en se concentrant sur l’utilisation de mécanismes à charnières auto-pliables. La notion passionnante ici est que cela nous permettrait de créer de minuscules mécanismes en utilisant des méthodes de lithographie bidimensionnelle et des mécanismes de fabrication 2D communs similaires.

Comme le montre l’image de droite, Randall et al. ont pu, dans des recherches antérieures, produire des structures 2D qui, une fois libérées d’un substrat, se repliaient automatiquement en une structure 3D à l’aide de charnières intégrées. Cela transforme essentiellement ces structures en un type d’origami auto-assemblé en concevant le positionnement des charnières.

Ils notent que l’utilisation de la lithographie telle qu’elle est couramment utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs n’est pas optimale pour ce type d’assemblage, en raison d’une préférence pour l’utilisation de matériaux organiques et autres qui ne sont pas couramment rencontrés dans la lithographie des semi-conducteurs. L’utilisation de méthodes de lithographie douce qui façonnent les biopolymères et similaires dans la forme requise était considérée comme prometteuse.

Machines à monter soi-même

Dans un article de Felton et al. (2014) (PDF), une méthode similaire à Randall et al est utilisée, sauf à une échelle beaucoup plus grande avec des robots auto-assemblés. L’idée essentielle ici est d’utiliser le concept d’origami informatique pour créer ce qui est essentiellement une carte de circuit imprimé plate avec de l’électronique intégrée. Lors de l’activation, les composites à mémoire de forme le long des charnières intégrées sont activés

Robot auto-assemblé utilisant des composites à mémoire de forme.
(Crédit : Felton et al., 2014)

Leur robot de démonstration utilise un sandwich de couches de polystyrène pré-étiré (PSPS), de papier et d’un PCB. Le PSPS est un polymère à mémoire de forme qui, lorsqu’il est chauffé à environ 100°C, se contracte. Lorsque le joint a terminé sa rotation, la source de chaleur est supprimée et à mesure que le PSPS durcit, la nouvelle orientation est permanente jusqu’à ce qu’il soit à nouveau chauffé.

Sur les cinq étapes nécessaires pour plier le robot d’une forme plate à la forme 3D finale, trois sont auto-pliables, les moteurs gérant les deux étapes restantes. Après avoir connecté une source d’alimentation à l’assemblage plat, il faut environ quatre minutes pour que les étapes de pliage soient terminées et que les joints refroidissent. Après pliage, le robot peut alors continuer à se déplacer dans sa nouvelle configuration tridimensionnelle.

Cependant, tous leurs robots ne se sont pas pliés avec succès : comme ils le notent dans le journal, ils ont eu besoin de trois tentatives pour réussir leur auto-assemblage. Apparemment, la précision avec les charnières pour les amener dans l’orientation souhaitée est un problème là-bas. Néanmoins, compte tenu du faible coût des matériaux, on pourrait imaginer que des robots plats et auto-assemblés comme ceux-ci soient produits en série.

Comme indiqué, cette technique pourrait être plutôt utile pour le prototypage rapide et pour faciliter l’auto-assemblage de tout, des robots aux satellites, une fois l’emplacement prévu atteint. La température de leur polymère thermosensible de 100°C est une qualité du matériau sélectionné, et selon les conditions environnementales de fonctionnement prévues, différents matériaux pourraient être choisis pour s’adapter à une plage de température différente.

Une touche délicate

Exemple de kirigami : la cathédrale Saint-Paul de Bharath Kishore.

Les études susmentionnées impliquaient essentiellement des types d’origami de haute technologie, car leur forme 3D dérivait de leur surface 2D en n’utilisant qu’un certain nombre de plis. Ceci est distinct du kirigami (切 り 紙), comme l’indique clairement le nom: 切 り (kiri) signifiant «couper» et 紙 (kami) signifiant «papier». Au lieu que le pliage du papier crée la forme finale, avec le kirigami ce sont les découpes initiales faites dans le papier qui déterminent la forme 3D qu’il prendra.

Un exemple occidental bien connu de kirigami peut être trouvé dans les soi-disant livres pop-up, où l’ouverture d’une page entraînera la formation d’une variété de formes à partir du papier plat en raison de la façon dont le papier a été coupé, parfois aidé par un guide. plier. Selon le niveau de sophistication, les formes les plus délicates peuvent être créées de cette manière.

Les feuilles de kirigami 2D, leurs transformations et courbes force-déplacement (Hong et al., 2022)
Les feuilles de kirigami 2D, leurs transformations et courbes force-déplacement (Hong et al., 2022)

C’était également le principe directeur d’une étude récente de Hong et al. (2022) dans Communication Nature, avec une tentative de créer un type de kirigami informatique qui permettrait de traduire des formes tridimensionnelles en une série de coupes dans une surface plane. Un exemple simple de ceci est démontré dans l’article avec trois formes de base :

Au cœur de leur approche du kirigami informatique se trouve le théorème de Gauss-Bonnett. Dans le domaine de la géométrie différentielle, cela couvre la relation entre les surfaces, reliant sa courbure géométrique à sa caractéristique d’Euler (courbure topologique). Cela s’applique par exemple à la courbure géodésique de la Terre et à sa courbure gaussienne. En effet, cela fournit un moyen mathématique de décrire les transformations au fur et à mesure qu’elles se déplacent des différentes représentations

En utilisant la simulation de la méthode des éléments finis (FEM) et la modélisation analytique, les changements de morphologie ont été comparés au modèle théorique, établissant la corrélation entre la courbure limite de la feuille de kirigami 2D et la courbure gaussienne de la forme 3D.

En utilisant le modèle ainsi développé, Hong et al. déplacé pour créer une pince souple qui pourrait exercer des forces définies avec précision, permettant de saisir et de relâcher des objets délicats sans dommage.

Préhenseur kirigami délicat et non invasif programmable.  (Hong et al., 2022)
Préhenseur kirigami délicat et non invasif programmable. (Hong et al., 2022)

Cette structure se compose essentiellement de deux volets le long d’une région centrale, sur laquelle une force (de traction) externe est exercée. Du fait des fentes précisément calculées dans la structure, la force exercée provoque une déformation non permanente du préhenseur ainsi créé. En raison de la grande quantité de contrôle, cette structure simple peut ensuite être utilisée pour saisir, tenir et relâcher doucement n’importe quoi, du jaune d’œuf cru à un poisson vivant. Il a également assez de force pour ramasser et tenir un cheveu humain, comme le montre la vidéo intégrée :

Sortir des sentiers battus

L’aspect peut-être le plus intrigant des études précédentes est de savoir dans quelle mesure elles peuvent déjà être appliquées aujourd’hui. Plutôt que d’emprunter la voie évidente consistant à se concentrer sur la recherche de moyens de construire directement des structures tridimensionnelles complexes – que ce soit à une échelle macro ou microscopique – nous pouvons plutôt faire en sorte que la boîte s’assemble elle-même.

Bien qu’il soit difficile de dire à ce stade quelle part de cette recherche trouvera des utilisations réelles et ce qui se heurtera à d’autres obstacles en cours de route, il semble y avoir beaucoup de promesses dans ces approches axées sur la transformation 2D. Tout comme avec la recherche générale sur les nanostructures auto-assemblées, il semble y avoir une tendance vers des systèmes d’ingénierie capables de gérer eux-mêmes l’assemblage.

Alors que les applications médicales des nanorobots chirurgicaux auto-pliables sont probablement encore loin, cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas déjà fabriquer des robots à assemblage automatique de type flatpack, ainsi que des pinces robotiques douces et partout ailleurs notre imagination et nos mathématiques. prends Nous.