Développement d'actionneurs souples : l'actionnement et des propriétés mécaniques des hydrogels macroporeux sensibles à la chaleur et à la chimie

Development of Hydrogel Based Soft Actuators : Investigation of Actuation Properties of Macroporous Thermal/Chemical Sensitive Hydrogels

• Auteur / Autrice : Refik Baris Yilmaz
• Direction : Vincent Mansard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Bergaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pauline Assemat, Nicolas Mano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Plesse, Hugues Bodiguel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrocolloïdes

Microactionneurs

Mots clés libres

Polymères

Chimie

Muscle artificiel

Actionneurs souples

Polymers

Chemistry

Artifical muscle

Soft actuators

Résumé

Aujourd'hui, le monde des actionneurs est dominé par les systèmes plus conventionnels et bien établis basés sur des principes piézo-électriques, pneumatiques ou électromagnétiques. La raison principale en est la grande efficacité, l'adaptabilité et la contrôlabilité des systèmes mécaniques/électriques durs avec une grande précision. Cependant, lorsque la complexité du mouvement contrôlé augmente, ce qui nécessite beaucoup plus d'actionneurs, ou lorsque la taille du système global diminue, les limites de l'évolutivité vers le bas deviennent problématiques. Les matériaux souples sont donc essentiels pour combler le vide laissé par les matériaux actifs conventionnels, car les progrès technologiques favorisent les systèmes plus petits, plus souples et plus légers. L'attribut clé des matériaux souples dans une telle situation est l'extrême adaptabilité due à la nature élastique qui permet de surmonter les limitations de taille et de poids. Dans cette étude, nous avons d'abord étudié les propriétés de changement de phase en volume ainsi que les propriétés mécaniques d'un gel microporeux thermosensible de PNIPAM. L'objectif étant d'utiliser le gel comme actionneur souple intelligent, nous avons optimisé la cinétique de rétrécissement et de gonflement en surmontant les limitations de diffusion grâce à l'ingénierie de la macroporosité. Nous avons mis au point un dispositif braille simple et rentable à point unique avec un gel PNIPAM à actionnement rapide qui remplace les actionneurs piézo-électriques conventionnels et répond à toutes les exigences des applications d'affichage tactile. Nous avons effectué des analyses mécaniques, morphologiques et thermiques sur le système obtenu. Deuxièmement, nous avons développé un nouveau modèle par impression 3D pour appliquer un niveau et une géométrie contrôlés de macroporosité sur les gels de PNIPAM. En développant un dispositif dans lequel l'écoulement des fluides à travers l'hydrogel microporeux peut être contrôlé avec précision, nous avons étudié l'effet du niveau de porosité et de la température sur la perméabilité à l'eau du gel. En outre, nous avons également observé et analysé la déformation poroélastique du gel lors de la compression par le flux de fluide. Nous avons également pu obtenir l'évolution du gradient de pression, la diminution du débit et finalement le changement de la perméabilité à l'eau du gel lors du rétrécissement. Enfin, nous avons développé un actionneur hydrogel électro-actif à double réseau PAAc/PEDOT:PSS. Nous avons obtenu une conductivité électronique (~10 S/cm) dans une matrice de gel 3D en incorporant un second réseau de PEDOT:PSS. Nous avons effectué des caractérisations électrochimiques, rhéologiques, mécaniques et morphologiques sur le gel conducteur obtenu. Enfin, nous avons analysé l'efficacité et la réversibilité de la complexation du gel PAAc pur avec des ions métalliques.

Today, the world of actuators is dominated by the more conventional, well established systems based on piezo-electric, pneumatic or electromagnetic principals. The main reason behind this is the high efficiency, adaptability and controllability of hard mechanical/electrical systems with great precision. Yet, as the complexity of the controlled motion increases which requires whole lot more actuators or the size of the overall system decreases, the limitations of down scalability becomes problematic. Thus, soft materials are crucial in filling the gap left by the conventional active materials as the technological progress favors smaller, softer and lighter systems. The key attribute of soft materials in such situation is the extreme adaptability due to the elastic nature overcoming the size and weight limitations. In this study, we first investigate the volume phase change properties next to mechanical properties of microporous thermo-sensitive PNIPAM gel. As we aimed to utilize the gel as the smart soft actuator, we optimized shrinking/re-swelling kinetics by overcoming diffusion limitations with engineering the macroporosity. We developed a cost-efficient, simple single-dot Braille device with fast actuating PNIPAM gel alternative to conventional piezo-electric actuators with all the requirements for tactile display applications. We conducted the mechanical, morphological and thermal analysis on the resulting system. Secondly, we developed a novel template by 3D printing to apply controlled level and geometry of macroporosity on the PNIPAM gels. By developing a setup in which fluid flow through the microporous hydrogel could be controlled precisely, we investigated the effect of porosity level, and temperature on water permeability of the gel. Moreover, we also observed and analyzed the poroelastic deformation of the gel upon compression by the fluid flow. We were also able to obtain the evolution of pressure gradient, decreasing flow rate and eventually the change in water permeability of the gel upon shrinking. Finally, we developed a PAAc/PEDOT:PSS double network electro-active hydrogel actuator. We achieved electonic conductivity (~10 S/cm) in a 3D gel matrix by incorporating a second PEDOT:PSS network. We conducted electrochemical, rheological, mechanical, morphological characterizations on the obtained conductive gel. Lastly, we analysed the efficiency and reversibility of neat PAAc gel complexation with metallic ions.