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De 1880 à aujourd'hui : quel est le développement étonnant des polymères électroactifs ?
Les polymères électroactifs (EAP) sont des polymères qui peuvent changer de taille ou de forme en réponse à une stimulation par un champ électrique. Les applications les plus courantes de ce type de matériau sont les actionneurs et les capteurs. Une propriété notable des EAP est qu’ils peuvent résister à de grandes déformations tout en étant soumis à des forces importantes. Dans le passé, les actionneurs étaient principalement constitués de matériaux piézoélectriques en céramique qui, bien que capables de résister à des forces importantes, se déformaient souvent de moins d'une partie pour mille. À la fin des années 1990, des études ont montré que certains EAP pouvaient atteindre des contraintes allant jusqu'à 380 %, dépassant de loin n'importe quel actionneur en céramique. Une application importante de l’EAP en robotique est le développement de muscles artificiels, et les polymères électroactifs sont donc souvent appelés muscles artificiels.
Historiquement, l’étude des polymères électroactifs a commencé en 1880, lorsque Wilhelm Roentgen a conçu une expérience pour examiner l’effet des champs électrostatiques sur les propriétés mécaniques du caoutchouc naturel.
Une charge électrique est appliquée depuis l'air sur un élastique dont une extrémité est fixée, et le changement de sa longueur est observé. En 1925, le premier polymère piézoélectrique (diélectrique) a été découvert, et cette recherche a jeté les bases de l'avenir de l'EAP. Le matériau est fabriqué en mélangeant de la cire de carnauba, de la résine et de la cire d'abeille et en le refroidissant sous une tension continue appliquée. Au fil du temps, la réponse des polymères aux conditions environnementales est également devenue un centre d’intérêt de ce domaine de recherche. En 1949, Kacharsky et al. ont démontré que les fibres de collagène présentaient des changements de volume dans des solutions acides ou alcalines, ce qui a également déclenché des recherches sur d'autres stimuli.
En 1969, Kawai a confirmé que le polyfluorure de vinylidène (PVDF) avait un fort effet piézoélectrique, ce qui a suscité l'intérêt des chercheurs pour le développement d'autres polymères ayant des effets similaires.
En 1977, Hideki Shiokawa et d'autres chercheurs ont découvert le premier lot de polymères conducteurs. La conductivité du polyacétylène peut être augmentée de huit ordres de grandeur en le dopant avec de la vapeur d'iode. Avec l’invention des composites ionomères-métal (IPMC) au début des années 1990, le développement de l’EAP est entré dans une nouvelle étape. Ce matériau ne nécessite qu'un à deux volts de tension pour produire une déformation, une caractéristique qui montre que l'EAP a un plus grand potentiel d'application.
En 1999, Yousef Bar-Kohan a proposé l'idée de bras robotisés EAP en compétition avec les humains, et la première compétition a eu lieu lors d'une conférence en 2005. En 2002, la société japonaise Eamex a produit le premier dispositif musculaire artificiel EAP commercial, un poisson capable de nager de manière autonome, ce qui a accéléré le développement de l'EAP dans des applications pratiques. Toutefois, les progrès réels des technologies concernées restent encore insatisfaisants. Les recherches financées par la DARPA dans les années 1990 ont conduit à la création d’une entreprise de muscles artificiels en 2003 et à la production industrielle en 2008.
Types de polymères électroactifs
Les EAP peuvent être simplement divisés en deux catégories en fonction de leur structure : diélectrique et ionique.
EAP diélectrique
Dans les EAP diélectriques, l'actionnement est provoqué par des forces électrostatiques entre les électrodes. Les élastomères diélectriques sont capables de contraintes très élevées et se comportent comme un condensateur dont la capacité change lorsqu'une tension est appliquée.
Polymères piézoélectriques
Cette classe de polymères utilise l’effet piézoélectrique pour créer des capteurs acoustiques et des actionneurs de moteurs et possède une large gamme d’applications en raison de sa réponse piézoélectrique intrinsèque.
Polymère à cristaux liquides
Le polymère à cristaux liquides à chaîne principale présente une structure en chaîne qui peut présenter des propriétés mécaniques uniques lors de changements thermiques et présente des applications potentielles d'entraînement mécanique.
EAP ionique
Ce type de polymère est entraîné par le déplacement d'ions à l'intérieur du polymère, ce qui ne nécessite que quelques volts mais une puissance électrique relativement élevée.
Orientation du développement futur
Bien que le domaine des PAE soit encore en développement, de nombreux défis restent à relever. D’une part, l’amélioration des performances et de la stabilité à long terme de l’EAP et la conception d’une surface étanche pour empêcher l’évaporation de l’eau amélioreront efficacement sa fiabilité dans divers environnements. D’autre part, le développement de PAE thermiquement stables pour améliorer leur capacité à fonctionner en continu à des tensions plus élevées est également l’un des axes de recherche futurs.
Dans ce contexte de progrès continu, la technologie EAP aura la possibilité d’être intégrée dans de plus en plus de domaines d’application à l’avenir, notamment à l’interface entre l’homme et la machine. Avec les progrès de la science et de la technologie des matériaux, associés au développement de la technologie du biomimétisme, nous ne pouvons nous empêcher de nous demander quels types de changements étonnants les polymères électroactifs apporteront à l'avenir ?
