Stacked electrohydrodynamic pumps with densely perforated electrodes
Cette étude présente une pompe électrohydrodynamique légère et empilable avec des électrodes densément perforées qui atteint une densité de puissance record de 55,0 W/kg et des performances de débit et de pression considérablement améliorées, démontrant son efficacité pour piloter des systèmes de robotique souple.
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Imaginez un monde où les machines ne se déplacent pas avec des moteurs, des engrenages ou des batteries, mais grâce à la poussée silencieuse de l'électricité à travers un liquide. C'est le domaine de l'électrohydrodynamique, un champ où les scientifiques utilisent l'électricité à haute tension pour agiter des fluides et créer du mouvement. Dans une configuration standard, deux électrodes sont placées à l'intérieur d'un liquide non conducteur. Lorsqu'un champ électrique puissant est appliqué, il arrache des électrons à certaines molécules de fluide, leur donnant une charge positive. Ces molécules chargées sont ensuite attirées vers l'électrode négative. En traversant l'espace, elles entraînent avec elles le fluide neutre environnant, créant ainsi un flux constant. Ce processus offre un avantage unique pour la robotique : il ne nécessite aucune pièce mécanique mobile, ce qui rend les pompes résultantes silencieuses, incroyablement fines et faciles à réduire à de très petites tailles. Pendant des décennies, les chercheurs ont cherché à rendre ces pompes assez puissantes pour actionner des robots souples et flexibles capables de mimer les mouvements délicats des créatures vivantes, mais augmenter leur force sans ajouter de volume est resté un défi tenace.
Une équipe de chercheurs de l'Université d'Électro-Communication au Japon, travaillant aux côtés d'ingénieurs de Mitsubishi Chemical, a maintenant franchi une étape importante en redessinant le cœur même de ces pompes. Au lieu de s'appuyer sur une seule couche d'électrodes, ils ont développé une méthode pour empiler plusieurs couches comme un jeu de cartes, créant une pompe qui est à la fois légère et remarquablement puissante. Leur innovation réside dans la façon dont ils ont construit les couches. Plutôt que de construire les électrodes et le matériau isolant comme des pièces séparées pour ensuite tenter de les aligner, ils ont gravé les électrodes directement sur les deux faces d'une seule feuille mince de matériau isolant, un peu comme les circuits imprimés que l'on trouve dans l'électronique de tous les jours. Ils ont ensuite percé des milliers de minuscules trous à travers tout ce "sandwich". Cette conception "densément perforée" permet au champ électrique d'agir sur le fluide aux bords de chaque trou simultanément, multipliant la force générée dans un espace très restreint.
Les chercheurs ont testé leur nouveau design en construisant des pompes avec un nombre variable de couches, différentes tailles de trous et différentes densités de trous. Ils ont constaté que le simple fait d'empiler davantage de couches rendait la pompe plus puissante, la pression augmentant presque proportionnellement au nombre de couches ajoutées. Parallèlement, agrandir les trous permettait à une plus grande quantité de fluide de passer, augmentant ainsi la vitesse du flux. En équilibrant soigneusement ces facteurs, ils ont créé une pompe à cinq couches qui pesait seulement 0,64 gramme, mais pouvait déplacer une quantité massive de fluide pour sa taille. Ce minuscule dispositif a atteint un débit maximal de 2041,0 millilitres par minute et a pu générer une pression de 9,3 kilopascals. Peut-être plus impressionnant encore, lorsqu'elle est mesurée par rapport au travail qu'elle peut accomplir par rapport à son propre poids, la pompe a délivré une densité de puissance de 55,0 watts par kilogramme. Ce chiffre représente une amélioration de plus de quatre-vingts fois par rapport aux pompes précédentes de type similaire, résolvant ainsi efficacement le problème de longue date consistant à obtenir une haute performance à partir d'un dispositif solide et léger.
Pour prouver que cette technologie est prête pour une utilisation réelle, l'équipe a connecté sa nouvelle pompe à des dispositifs robotiques souples. Ils ont rempli la pompe et deux types différents d'actionneurs souples avec le même fluide diélectrique. Lorsqu'ils appliquaient une tension, la pompe poussait le fluide dans les actionneurs, provoquant leur mouvement. Dans un test, la pompe a réussi à contracter un muscle artificiel fait de silicone et de tissu, générant suffisamment de force pour soulever de petits poids. Dans un autre, elle a fait fléchir un bras souple rempli de fluide. Enfin, en combinant deux de ces bras flexibles en une pince simple, le système a été capable de saisir et de tenir de petits objets sphériques et cubiques. Ces démonstrations ont montré que la pompe n'est pas seulement une curiosité de laboratoire, mais une source d'énergie polyvalente capable de piloter des machines flexibles et complexes. Les chercheurs ont noté que si la pompe est stable sur plusieurs heures de fonctionnement, les travaux futurs se concentreront sur le fait de la rendre encore plus réactive en testant différents fluides et en affinant l'espacement entre les couches empilées. Pour l'instant, cependant, ce nouveau design empilé offre une voie claire pour construire des robots souples qui soient aussi silencieux, efficaces et puissants que la nature l'a prévu.
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