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La peau de serpent inspire des capteurs de sensibilité à la déformation

capteurs sensibles inspiré de la peau de serpent

De nombreuses fonctions corporelles chez l’homme se manifestent par des déformations mécaniques de la peau, qu’il s’agisse de l’étirement, de la flexion et du mouvement des muscles et des articulations ou du battement du pouls au poignet. Il est possible de mesurer et de surveiller ces changements mécaniques. Il suffit pour ce faire de mesurer différents niveaux de contrainte en divers points du corps grâce à des capteurs.

Différents niveaux de capteurs

Ces dernières années, l’attention s’est portée sur les capteurs portables permettant de mesurer ces contraintes. L’objectif étant de pouvoir les utiliser dans le cadre de la surveillance médicale personnelle. Certains de ces capteurs peuvent détecter des déformations de haut (40-100 %)., de moyen (10-40 %), ou de faible niveau (<1 %-10 %).

Le PEDOT:PSS, ou poly (3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonâtes, est un matériau très apprécié pour ces types de capteurs. Il dispose en effet d’un niveau élevé de conductivité et de stabilité. La faible extensibilité inhérente des films PEDOT:PSS entraîne une détérioration des niveaux de performance et de fonction lorsqu’ils sont utilisés pour mesurer des déformations plus importantes (>20 %). Les tentatives de résolution de ce problème par l’ajout de polymères extensibles ou élastomères ont permis d’augmenter l’extensibilité.

Les capacités exceptionnelles des peaux de serpent

Une équipe de l’Institut Terasaki pour l’innovation biomédicale a relevé ces défis. L’équipe a notamment pu concevoir un dispositif portable de détection des déformations. Un dispositif capable de détecter efficacement une large gamme de déformations. Afin de maximiser l’extensibilité de ce capteur, les chercheurs du TIBI se sont inspirés d’un exemple trouvé dans la nature. Les serpents peuvent notamment s’étirer jusqu’à plusieurs fois leur taille normale lorsqu’ils ingèrent une proie. En examinant de plus près leurs peaux, les chercheurs ont en effet observé un chevauchement d’écailles qui couvrent leurs peaux. Ces écailles glissent les unes sur les autres et se déplacent pour former des écailles séparées, lorsqu’on applique une tension. Cela confère à la peau une extensibilité exceptionnelle.

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Les chercheurs ont utilisé ce concept pour fabriquer leur capteur. Une fine couche de PEDOT:PSS a été appliquée et cuite sur une bande d’élastomère. Cette couche a ensuite été étirée jusqu’à un niveau de déformation de 50 % optimisé expérimentalement. Ce processus a entraîné des fissures et la formation de morceaux à l’échelle microscopique, ou « îlots », à la surface de la couche, avec des zones de PEDOT:PSS intercalées. Ces zones exposées ont servi de sites de liaison pour l’application d’une seconde couche mince de PEDOT:PSS. Une fois appliquée, la deuxième couche a été étirée jusqu’à un niveau de déformation de 100 %. Ce qui a entraîné la création d’îlots et de zones supplémentaires qui se sont naturellement alignés sur ceux de la première couche. Les chercheurs ont ensuite créé une structure avec des îlots superposés qui imitent la structure écailleuse d’un serpent.

Les domaines d’applications possibles pour les capteurs

Les résultats des expériences ont montré que le capteur TIBI produisait des signaux clairement définis avec une plage de sensibilité de deux ordres de grandeur. Les signaux reflétaient avec précision les degrés et les angles des mouvements correspondants. En outre, le capteur a démontré une excellente conductivité, durabilité et reproductibilité.

La polyvalence de ce capteur portable de grande envergure s’applique surtout à une myriade de besoins biomédicaux. Elle peut par exemple s’appliquer à la surveillance des fonctions cardiaques ou circulatoires, l’aide aux sujets ayant des difficultés à vocaliser ou à avaler, ou encore la rééducation physique et l’évaluation des performances sportives. Il peut également s’utiliser dans des applications créatives telles que l’amélioration de la communication pour les personnes qui travaillent dans des environnements bruyants ou la surveillance des conditions psychologiques associées aux expressions faciales.

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