Une équipe de recherche dirigée par les professeurs Stefan Seelecke et Paul Motzki de l'Université de la Sarre utilise un film extrêmement polyvalent, à peine plus épais qu'un film alimentaire, pour doter des objets de nouvelles fonctionnalités et réaliser des économies d'énergie. Intégrés aux textiles connectés, ces films peuvent bouger et exercer une pression sur la peau, offrant un retour haptique qui enrichit l'expérience de jeu en réalité virtuelle en permettant aux joueurs de ressentir les textures, les impacts et autres sensations physiques. Lorsqu'il est intégré à un gant industriel, ce film polymère mince réagit aux mouvements de la main et des doigts de l'opérateur, permettant ainsi à un ordinateur de « comprendre » des gestes précis. Appliqué sur un écran plat en verre, le film peut recréer la sensation éphémère d'un bouton tactile, d'un interrupteur ou d'un curseur sous le doigt de l'utilisateur. Des haut-parleurs légers consommant beaucoup moins d'énergie que les modèles classiques, de nouveaux générateurs de signaux et des tissus antibruit ne sont que quelques exemples des prototypes développés par les experts en systèmes de matériaux intelligents de l'Université de la Sarre et du Centre de mécatronique et d'automatisation de Sarrebruck (ZeMA).
Mais comment donnent-ils vie à ces films ? « Chaque face du film est recouverte d'une couche conductrice», explique Paul Motzki, professeur de systèmes de matériaux intelligents pour la production innovante à l'Université de la Sarre et directeur scientifique et PDG de ZeMA. Lorsqu'une tension électrique est appliquée au film polymère, ces couches conductrices s'attirent, comprimant le polymère et provoquant son expansion latérale, ce qui augmente sa surface. «En modulant le champ électrique appliqué, nous pouvons contrôler le mouvement du film, créant ainsi un actionneur léger mais très performant », précise Motzki. Les chercheurs sont capables de contrôler précisément le mouvement de ces films revêtus, appelés élastomères diélectriques (ED), et peuvent leur faire effectuer des mouvements de flexion lents ou rapides, ou encore les faire vibrer à une fréquence souhaitée. Ils peuvent également maintenir le film dans une position fixe et immobile sans alimentation électrique continue.
Grâce à ces films polymères électroactifs, l'équipe de recherche développe de nouveaux systèmes d'entraînement (actionneurs) contrôlables sans capteurs supplémentaires. « Chaque déformation ou changement de position du film se voit attribuer une valeur précise de capacité électrique. Ces données nous indiquent comment le film se déforme, par exemple lorsqu'on le caresse ou qu'on le tapote du doigt. Ces films élastomères diélectriques sont autosensibles et peuvent servir de capteurs de position autonomes », explique Paul Motzki. Les données de mesure sont également utilisées pour entraîner des modèles d'IA permettant aux chercheurs de programmer le mouvement du film : flexion, maintien d'une forme souhaitée ou oscillation à une fréquence précise.
L'équipe de Sarrebruck porte actuellement ces actionneurs diélectriques à un niveau supérieur, ouvrant la voie à une multitude de nouvelles applications. La nouvelle génération de films offre un contrôle accru et peut vibrer à des fréquences encore plus élevées. L'un des objectifs de l'équipe est de permettre à ces films flexibles d'osciller à des fréquences ultrasoniques. Un nouveau projet, TransDES (structures de transistors basées sur des systèmes élastomères diélectriques flexibles), financé par le Land de Sarre via le FEDER (Fonds européen de développement régional), vise également à innover en développant des circuits élastomères pour les applications haute tension. Les circuits imprimés (PCB) sont présents dans la plupart des appareils électriques. La technologie qui contrôle ces appareils, qu'il s'agisse d'un mixeur ou d'un smartphone, est généralement soudée sur des PCB plats et rigides. L'équipe de recherche de Sarrebruck s'efforce de développer des PCB légers et flexibles qui pourront servir, à l'avenir, d'alternatives économiques et flexibles aux PCB conventionnels. Les circuits flexibles développés à Sarrebruck intégreraient également des actionneurs miniatures et leurs propres capteurs.
Le projet TransDES est une collaboration entre l'équipe de Paul Motzki au ZeMA et celle du professeur John Heppe à la htw saar (Haute École Spécialisée de la Sarre). La technologie développée en Sarre est unique au monde et consiste à créer des films élastomères dotés de couches d'électrodes innovantes.
Jusqu'à présent, les couches conductrices étaient fabriquées par sérigraphie, en appliquant de la poudre de carbone amorphe (« noir de carbone ») sur les faces supérieure et inférieure d'un film polymère. Cependant, la résistance électrique de cette couche de noir de carbone, d'environ 10 000 ohms, est trop élevée pour que le film puisse vibrer dans la gamme des fréquences ultrasoniques.
En remplaçant la couche de noir de carbone par un revêtement métallique ultra-mince et plus conducteur, les chercheurs visent à créer un actionneur diélectrique (DE) capable de s'activer et de se désactiver à des vitesses ultrarapides. « Cela nous permettra d'obtenir des performances encore meilleures du film », explique Sebastian Gratz-Kelly, doctorant. « Même à très haute fréquence, nous pourrons contrôler toute la surface du film, et non plus seulement certaines parties. » Ce nouveau revêtement métallique ultra-mince permet également à l'actionneur d'être plus économe en énergie et de réduire les pertes de puissance, notamment grâce à la diminution de la résistance de contact entre le fil et le film. « De plus, nous utilisons une technique laser spéciale qui nous permet d'obtenir une structure beaucoup plus petite au sein du revêtement », explique Gratz-Kelly. « Auparavant, avec la sérigraphie, la distance entre les électrodes était d'environ un centimètre. Désormais, cet écart n'est que de quelques micromètres. C'est ce qui nous permet de concevoir des circuits élastomères flexibles », ajoute le professeur Motzki.
Le défi réside dans le fait que le film entier doit subir un étirement important, mais sa déformation est entravée par le nouveau revêtement métallique. C'est là qu'intervient l'équipe de John Heppe. Professeur de technologie des capteurs physiques et de mécatronique à la htw saar, John Heppe dirige également un groupe de recherche au ZeMA. Les deux universités collaborent pour transposer leurs découvertes en solutions industrielles et commerciales concrètes. Afin d'optimiser les propriétés d'une couche conductrice métallique solide avec celles d'un substrat polymère flexible, l'équipe de John Heppe utilise un procédé spécial pour déposer la couche métallique sur l'élastomère. « Nous utilisons une technique de dépôt de matière appelée pulvérisation cathodique. La couche conductrice que nous déposons sur la surface de l'élastomère ne fait que dix nanomètres d'épaisseur, soit plus de mille fois plus fine qu'un cheveu», explique Mario Cerino, chercheur au sein de l'équipe de John Heppe.
L'astuce de l'équipe consiste à étirer l'élastomère avant d'y déposer la couche métallique ultra-mince. Quiconque a déjà collé du ruban adhésif sur un ballon gonflé en connaîtra l'effet : lorsque l'air s'échappe du ballon, le ruban se froisse. Le même phénomène se produit avec le film d'élastomère. Lorsque l'élastomère se détend, la couche métallique se contracte et forme des plis. « Grâce à ce procédé, nous obtenons une résistance comprise entre 50 et 100 ohms sur une surface d'un centimètre carré, ce qui est nettement inférieur à ce qu'il était auparavant », explique Mario Cerino.
Des chercheurs utilisent actuellement des films métallisés pour développer des transistors au silicium économes en énergie et à faible coût. Les transistors sont des composants électroniques permettant de commuter des tensions et des signaux électriques, ou de les amplifier. Dans ce cas précis, l'équipe souhaite développer des transistors à base de films minces capables de commuter des tensions élevées. « En réduisant la résistance électrique, nous augmentons le courant, un peu comme un robinet dont le débit augmente avec l'ouverture. Cela nous permet d'obtenir une commutation haute tension avec des temps de cycle extrêmement courts, utilisable pour commander des vannes, des pompes ou des haut-parleurs», explique Mario Cerino. « Nous exploitons une propriété particulière de ces systèmes», explique le professeur John Heppe. « Si le film métallisé est étiré davantage qu'il ne l'était lors de la pulvérisation cathodique, des fissures apparaissent dans la couche d'électrode, entraînant une forte augmentation de la résistance électrique. Ainsi, si nous étirons le film, des fissures apparaissent. Si nous le laissons se détendre, les fissures se referment et la structure plissée retrouve sa forme initiale. » « Cela nous permet de passer de très faibles résistances à de très fortes résistances, comparable à l'utilisation d'un transistor comme interrupteur électrique », explique le professeur Heppe.
Une démonstration de cette technologie met en lumière un nouveau capteur composé d'un film métallisé intégré à un bracelet textile. Ce panneau tactile portable est une surface textile sensible au toucher capable de reconnaître les formes dessinées dessus. Lorsqu'une personne fait glisser son doigt sur ce tissu intelligent, la pression et la direction du mouvement sont enregistrées. Des algorithmes d'apprentissage automatique avancés, intégrés au système, permettent ensuite de reconnaître les lettres ou les motifs dessinés.
Les experts de Sarrebruck en systèmes de matériaux intelligents présenteront également d'autres développements innovants utilisant ces élastomères diélectriques avec leurs propres capteurs, tels que des textiles intelligents et des actionneurs fournissant un retour haptique, des vannes et des pompes à faible consommation d'énergie et des actionneurs haute performance.
Le Land de Sarre finance le projet TransDES à hauteur d'environ 500 000 €, provenant de fonds publics et du Fonds européen de développement régional (FEDER).
Consultez la dernière publication de l'équipe : https://doi.org/10.3390/ma17235993
Contexte :
La technologie des élastomères diélectriques est perfectionnée par des doctorants menant des recherches dans le cadre de leurs thèses, sous la direction des professeurs Stefan Seelecke, Paul Motzki et John Heppe. Leurs résultats ont été publiés dans diverses revues scientifiques. Ces recherches ont également bénéficié de nombreux financements : une bourse de recherche Marie Curie de l'UE et un financement de la Fondation allemande pour la recherche (DFG) via son programme prioritaire SPP KOMMMA. Le gouvernement du Land de Sarre a apporté un soutien financier par le biais des projets FEDER iSMAT et Multi-Immerse, et ME Saar (Association des industries métallurgiques et électriques de la Sarre) a financé un programme de recherche doctorale. Afin de faciliter le transfert de leur technologie de matériaux intelligents vers les secteurs commercial et industriel, les chercheurs ont créé la société mateligent GmbH, qui exposera également sur le même stand à la Foire de Hanovre de cette année.
