A l’Empa, des matériaux très différents sont étudiés, dont certains ont des propriétés surprenantes. Il existe p. ex. des élastomères qui réagissent à l’électricité et se contractent ou se dilatent en fonction de la tension appliquée. Il y a 20 ans, des chercheurs se sont demandé ce qu’il était possible d’en faire. Les résultats sont aujourd’hui presque prêts à être lancés sur le marché et pourraient révolutionner les commandes électroniques.

Les actionneurs développés par Gabor Kovacs (à g.) pourraient passer à une application industrielle à grande échelle. Dorina Opris a adapté les films polymères aux besoins spécifiques. (Photos: Basil Stüchli/Conseil des EPF)

Quelque chose doit être mis en mouvement? La nature s’appuie sur les muscles, la technologie sur les moteurs, la nature déforme, la technologie tourne et visse. Cela pourrait bientôt changer, car des chercheurs de l’Empa sont en train de lancer sur le marché des «actionneurs» bon marché et disponibles en masse. Ils se basent sur une technologie simple, mais plutôt secrète: les élastomères diélectriques font partie des polymères électroactifs et sont des matériaux qui se déforment lorsqu’une tension électrique est appliquée. Les raisons de ce phénomène sont encore à l’étude au niveau moléculaire. Au cours des 20 dernières années, on a néanmoins appris à «maîtriser» ces matériaux de telle sorte que la déformation se fasse de manière très ciblée et puisse être manipulée avec précision. «Il n’est pas simple de produire un mouvement linéaire», relate Pierangelo Gröning, membre de la direction et responsable du département «Matériaux modernes et surfaces». Mais au fil des ans, on n’a cessé de s’approcher du but, en appliquant des tensions relativement faibles grâce au savoir-faire de l’Empa. Ainsi, les actionneurs développés par Gabor Kovacs pourraient passer à une application industrielle à grande échelle.

Dans la main, les actionneurs de test agissent comme une pile de plastique souple composée de nombreuses plaques minces. Ils n’ont rien de spectaculaire, mais la pile de dix centimètres de haut a nécessité beaucoup de travail de recherche. Un programme de recherche a été initié à l’Empa en 2000 dans le but de déformer des structures mécaniques à l’aide de signaux électriques, se remémore G. Kovacs. Mais les matériaux connus alors étaient difficilement utilisables pour des applications concrètes. Ils n’étaient pas assez performants et coûtaient trop cher. Mais comme on croyait ferme-ment au potentiel de la technologie, on a décidé de prendre le taureau par les cornes et on a fondé la division des polymères fonctionnels afin de développer ces matériaux nous-mêmes. C’est ce qui fait des actionneurs un «cas classique de l’Empa», explique P. Gröning, puisqu’ils sont issus de la recherche sur les matériaux. Décider ensuite de continuer à travailler sur l’idée «dans deux laboratoires différents», c’est ce qui différencie l’Empa. Le défi technique a été relevé par l’optimisation du matériau.

«Les polymères électroactifs pourraient révolutionner les commandes électroniques.» Pierangelo Gröning, membre de la direction et responsable du département «Matériaux modernes et surfaces»

D. Opris a participé au développement de films polymères plus appropriés et adaptés aux besoins spécifiques. Son savoir-faire a permis de réaliser la percée. Elle modifie les élastomères qui composent les films avec des dipôles, ce qui les rend plus «sensibles». Cette modification leur permet de se déformer avec des tensions beaucoup plus faibles. Elle a également adapté les films au procédé de fabrication spécial et les applique les uns sur autres comme dans une imprimante 3D. Ce «procédé d’empilage humide» rend aussi la technologie de l’Empa unique – l’automatisation a déjà été prise en compte.

Le laboratoire de recherche de G. Kovacs héberge deux robots de fabrication. Une machine imprime de très fines couches de films, y compris les électrodes étirables, les unes sur les autres, de sorte qu’une plaque de plastique d’environ 0,5 millimètre d’épaisseur croît lentement. Celle-ci est en-suite coupée en petits morceaux et empilés dans l’autre machine. Dès qu’une tension électrique est appliquée, chaque film se déforme un peu et son épaisseur se modifie aussi. Avec une seule couche, on ne remarquerait presque rien du résultat, mais dans une telle pile, il y a plus de 1000 couches de films. L’effet est donc aussi multiplié et les actionneurs réalisent des mouvements allant de quelques mm à quelques cm qui peuvent même être vus à l’œil nu. Le mouvement est silencieux, les actionneurs sont compacts, légers et fiables. Les «muscles artificiels» effectuent leurs mouvements des milliers et des millions de fois. De plus, le principe peut aussi être inversé: si les films changent d’épaisseur sous pression, cela se traduit par un signal électrique.

Une machine imprime de très fines couches de films, y compris les électrodes étirables, les unes sur les autres, de sorte qu’une plaque de plastique d’environ 0,5 millimètre d’épaisseur croît lentement.

G. Kovacs entrevoit des applications d’une part dans le corps humain comme «muscles auxiliaires». Mais il voit aussi un grand potentiel dans l’industrie de consommation. L’interaction homme-machine pourrait être complètement révolutionnée par les actionneurs. Imaginez, une interface utilisateur plate ne réagit pas visuellement, mais tactilement. Les boutons sont créés en fonction des besoins, un relief est en constante évolution. Cela intéresse notamment l’industrie automobile. «Dans dix ans, des tableaux de bord adaptatifs seront installés en série dans les voitures», prédit G. Kovacs. La société CTsystems, qui est le résultat de son patient travail de recherche, s’y prépare.