ENGINEERINGNET.BE - Dans la pratique, les capteurs se révèlent toutefois fragiles : après une utilisation répétée, ils s’abîment, perdent en précision, voire tombent en panne – alors que la fiabilité est indispensable.
Des chercheurs de l’imec et de la Vrije Universiteit Brussel ont développé une nouvelle génération de capteurs de contrainte flexibles qui résolvent ce problème. Ces capteurs s’autoréparent après un dommage, continuent de mesurer avec précision et sont presque entièrement recyclables. Le secret ? La combinaison unique d’un polymère autoréparant et d’un alliage métallique liquide – une approche ouvrant la voie à des capteurs robustes, durables et adaptés aux technologies portables, robotiques et aux interfaces homme-machine.
Les limites des solutions existantes
Les capteurs de contraintes flexibles sont généralement fabriqués à partir de polymères synthétiques : des matériaux souples et extensibles supportant d’importantes déformations mécaniques, mais qui demeurent sensibles aux dommages, et nécessitent leur remplacement.
Le principe de mesure repose généralement sur des mécanismes de détection intrinsèques. Le polymère est chargé de particules conductrices (graphène, noir de carbone) qui se réorganisent lors de la déformation du matériau. Cela entraîne une variation de la résistance électrique, qui constitue le signal de mesure.
Des études montrent qu’un tel mécanisme présente des limites fondamentales. Au fil du temps, le signal devient moins stable et moins reproductible : un même degré d’étirement peut générer des valeurs de mesure erronées. Cette perte de prévisibilité et de précision compromet la fiabilité du capteur.
De plus, ces capteurs sont souvent constitués de couches superposées lors du processus de fabrication. Sous l’effet d’étirements et de relâchements répétés – des contraintes cycliques – la délamination devient un problème fréquent, qui nuit à leur solidité.
Solution : l’association d’un alliage métallique liquide et d’un polymère Diels Alder
Les chercheurs de l’imec à la VUB ont donc mis au point une nouvelle génération de capteurs de contraintes flexibles. Contrairement aux capteurs intrinsèques, cette conception sépare les fonctions mécaniques et électriques. De plus, le capteur peut se réparer lui-même, même après avoir subi des dommages importants, sans compromettre la précision de mesure.
L’approche repose sur deux éléments:
- Une enveloppe souple en polymère de type Diels-Alder (DA) qui assure l’intégrité mécanique et la flexibilité.
- Un canal de métal liquide (Galinstan), intégré au polymère, pour assurer la conductivité électrique et la conversion de la déformation mécanique en un signal électrique.
L’utilisation de Galinstan et des polymères de types DA a déjà fait l’objet d’études. Cependant, c’est la première fois que ces deux matériaux sont combinés dans un capteur de contrainte flexible capable de fonctionner de manière fiable, même après avoir été sectionné complètement à plusieurs reprises.
Enveloppe polymère de type Diels Alder
Le concept repose sur une enveloppe polymère de type Diels-Alder. Lorsqu’une dégradation survient, les liaisons DA se rompent. Mais dès que les surfaces de rupture sont remises en contact, les liaisons se reforment, rétablissant l’intégrité mécanique du polymère – même après plusieurs cycles de détérioration et de réparation. Par ailleurs, ces liaisons DA limitent le risque de délamination.
Un alliage métallique liquide pour des mesures fiables et reproductibles
Pour la mesure des déformations, les chercheurs utilisent le Galinstan, un alliage métallique liquide non toxique et biocompatible à base de gallium et d’indium, auquel on ajoute de l’étain. Ce dernier abaisse la température de solidification de l’alliage à -15°C, permettant au capteur de continuer à fonctionner de manière fiable, même dans des environnements sous zéro.
Le métal liquide forme un canal conducteur étroit, encapsulé dans l’enveloppe polymère. En cas de déformation, la résistance électrique varie exclusivement sous l’effet de facteurs géométriques (allongement et amincissement du canal) – et non par un réarrangement de particules conductrices dans le polymère. De ce fait, le signal de mesure reste constant et prévisible. Enfin, après l’endommagement du canal conducteur, le métal liquide reflue spontanément pour rétablir la conductivité électrique.
De la production au recyclage
Pour intégrer le canal de métal liquide dans le polymère, les chercheurs ont opté pour une technique de dépôt par pulvérisation. Cette méthode s’avère bien plus précise que l’approche classique, qui consiste à injecter le métal dans une cavité préformée du polymère sous surpression (une procédure qui augmente le risque de fuite en cas de rupture du canal).
Par ailleurs, les chercheurs ont présenté un concept de recyclage inédit : en chauffant le polymère jusqu’à son état liquide, puis en isolant le Galinstan par centrifugation, ils ont démontré que les deux matériaux pouvaient être récupérés avec un rendement supérieur à 95%.
L’heure de vérité
temps, le capteur a été sectionné transversalement. Ensuite, les surfaces de rupture ont été réalignées et mises en contact, et le processus de réparation a été réalisé sous conditions contrôlées (quatre heures à 60 °C). La procédure a été répétée six fois.
Le capteur restauré n’a pratiquement rien perdu de sa solidité mécanique : même après six cycles de dommages et de réparation, il conserve une déformation maximale (fracture strain) de 80% – la légère diminution observée étant due à la contamination de la surface de rupture par de l’oxyde métallique. Le capteur reste parfaitement utilisable.
La précision de mesure est, elle aussi, remarquablement stable. La dérive du signal des capteurs (auto)restaurés reste inférieure à 10% - une valeur exceptionnellement basse, qui confirme l’excellente capacité du Galinstan à maintenir un chemin conducteur stable. Lorsque le capteur est étiré jusqu’à 50% de sa longueur, l’hystérésis (l’écart entre la valeur mesurée lors de l’étirement et celle lors du relâchement) est inférieure à 1%. En d’autres termes, le signal n’est pratiquement pas influencé par un état de déformation précédent.
Enfin, le capteur a été validé sur le plan fonctionnel en étant appliqué à des mouvements articulaires tels que ceux des doigts, des poignets, des coudes et des genoux. Les tests ont révélé un décalage d’environ 220 millisecondes entre le mouvement réel et le signal électrique. Ce décalage très court permet la surveillance en temps réel ainsi qu’une interaction homme-machine en boucle fermée.
Conclusion
Selon les chercheurs, cette approche ne se limite pas à la réparation des dommages : la précision de mesure de ces capteurs de contrainte flexibles et autoréparants est préservée, même après des dommages répétés et importants. Les capteurs répondent ainsi aux exigences concrètes d’applications telles que les dispositifs portables et la robotique. Le procédé de recyclage unique démontre en outre que la robustesse, la précision de mesure et la durabilité peuvent parfaitement se combiner sans compromis.
Recherche soutenue par le projet FWO SBO SUBLIME (Stretchable and Ubiquitous Liquid Metal Electronics).
À propos de Rathul Nengminza Sangma
Rathul Nengminza Sangma a obtenu son diplôme de bachelier en 2017 à la Savitribai Phule Pune University (SPPU) en Inde. En 2022, il a décroché un master en génie électromécanique à la VUB, avec une spécialisation en mécatronique.
Il travaille depuis comme chercheur doctorant chez BruBotics à la VUB, et collabore avec imec. Ses recherches portent sur la caractérisation de capteurs portables pour la surveillance de mouvements humains et l’activité musculaire.
