c) Le muscle artificiel

        Les robots nouvelle génération sont dotés de peau (voir la peau artificielle), mais sous cette peau, au lieu d’avoir des moteurs ou des circuits électriques, pourquoi n’y aurait-il pas tout simplement des muscles comme les humains ? Actuellement les robots ont une démarche plutôt mécanique, pourtant le muscle artificiel existe et il est efficace. Il existe, en effet, l’aérogel, qui est un matériau semblable à un gel où le composant liquide est remplacé par du gaz. C’est un solide à très faible densité avec plusieurs propriétés remarquables : ultra léger, flexible, pouvant se détendre jusqu’à dix fois sa longueur, résistant à des températures extrêmes (de -200° à 1500°c), très bon isolant… Il a été créé par Steven Kristler en 1931, ses travaux l’ont également amené à composer des aérogels de silice, d’alumine, d’oxyde de chrome (III) ou d’oxyde d’étain (des aérogels de carbone ont été inventés au début des années 90).

 

aerogelbrick.jpgUne brique de 2,5 kilos est portée par un morceau d'aérogel de seulement 2 grammes

 


        L’aérogel est composé jusqu’à 99,8% d’air avec une densité pouvant descendre à 3mg/cm3, ce qui en fait le solide le plus léger connu. Comme il est composé principalement d’air, l’aérogel apparaît semi-transparent. Sa couleur est due à la diffusion Rayleigh de la plus petite longueur d’onde de la lumière visible.


aerogelflower-filtered.jpg

 

Si l’on presse légèrement l’aérogel, aucune marque n’est apparente, le presser plus fortement laisse un creux permanent et le presser très fortement fait écrouler sa structure éparse : l’aérogel se brise comme du verre. Même s’il est enclin à se disperser, il est capable de supporter jusqu’à 2000 fois son propre poids. Cette capacité est due à sa microstructure dendritique, avec des particules sphériques d'une taille moyenne de 2 à 5 nm fusionnées en groupe, formant une structure tridimensionnelle hautement poreuse de chaînes (en forme de fractales) avec des pores mesurant moins de 100 nanomètres. La taille et la densité moyenne des pores peuvent être ajustées lors de la fabrication.

 

 

Aérogel supportant une fleur (à gauche)

 


 Fabrication :

Dans la théorie, la fabrication consiste à remplacer le composant liquide d’un gel de silice (pour l’aérogel de silice) par du gaz. En pratique, la chose devient plus complexe. En effet, la structure du gel a tendance à s’effondrer quand on le sèche simplement. Celui-ci devient alors poreux et il s’effrite.

Dans la pratique, on sèche de l’hydrogel, un gel de silice notamment utilisé pour les lentilles de contact souples, dans des conditions de température et de pression extrêmes en remplaçant l’eau par un liquide comme l’éthanol en présence d’un «précurseur», l’alcoxyde de silice. L’alcoxyde est une sorte de catalyseur, pour la réaction il est composé d’un alcool et de silicone. Sa formule est Si(OR)4. Cette réaction produit de la silice :

 

Si(OCH2CH3)4 (liq.) + 2H2O (liq.) = SiO2 (solide) + 4HOCH2CH3 (liq.).

 

 

La silice est un composé minéral stable de formule SiO2. Ensuite intervient un procédé appelé « Supercritical Drying » (séchage à Point critique). En thermodynamique, le point critique est une phase de transition se situant entre les liquides et les gaz. Fondamentalement, les états liquide et vapeur sont microscopiquement identiques : ils se caractérisent par un désordre des atomes ou molécules. Aussi, il existe une pression et une température (dites critiques) pour lesquelles cesse brusquement cette courbe de coexistence liquide-vapeur. Au-delà, le corps n'est ni liquide ni gazeux : c'est une phase fluide. C’est par ce procédé qu’on retire l’alcool du gel. Cette opération se fait dans un autoclave à des pressions allant de 50 à 60 bars, des températures de 5 à 10°C et pendant 12 heures à 6 jours. Le but est alors atteint, on a remplacé le liquide par un gaz sans que la structure du gel s’effondre ou réduise de volume. (D’autres procédés existent pour fabriquer de l’aérogel à température et pression ambiantes, seulement les entreprises conservent, pour l’instant, ces procédés secrets.)

 

aerogel-flame.jpgAérogel

 

 

            Nous pouvons d’ores et déjà penser à des robots ayant des mouvements moins mécaniques, plus humains. D’autres matériaux peuvent être utilisés pour ces muscles artificiels, tel que les nanotubes de carbone.

Date de dernière mise à jour : samedi 25 february 2012