Rendu d’artiste de « robots liquides » autonomes et continus dans un GIF animé. Crédit : Jenny Nuss/Berkeley Lab
En supprimant l’électricité de l’équation, la découverte surmonte un obstacle de longue date en robotique.
Lorsque vous pensez à un robot, des images de R2-D2 ou C-3PO peuvent vous venir à l’esprit. Mais les robots peuvent servir plus qu’un simple divertissement sur grand écran. Dans un laboratoire, par exemple, les systèmes robotiques peuvent améliorer la sécurité et l’efficacité en effectuant des tâches répétitives et en manipulant des produits chimiques agressifs.
Mais avant qu’un robot puisse se mettre au travail, il a besoin d’énergie, généralement de l’électricité ou d’une batterie. Pourtant, même le robot le plus sophistiqué peut manquer de jus. Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont voulu fabriquer un robot capable de fonctionner de manière autonome et continue, sans apport électrique.
Maintenant, comme rapporté récemment dans le journal Chimie de la nature, des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Département de l’énergie et de l’Université du Massachusetts à Amherst l’ont démontré – grâce à des robots liquides « qui marchent sur l’eau » qui, comme de minuscules sous-marins, plongent sous l’eau pour récupérer des produits chimiques précieux, puis surface pour livrer des produits chimiques « à terre » encore et encore.
Dans cette courte vidéo, des robots liquides de seulement 2 millimètres de diamètre transportent des produits chimiques dans les deux sens alors qu’ils sont partiellement immergés dans la solution. Crédit : Ganhua Xie et Tom Russell/Berkeley Lab
La technologie est le premier robot aqueux autoalimenté qui fonctionne en continu sans électricité. Il a un potentiel en tant que système automatisé de synthèse chimique ou d’administration de médicaments pour les produits pharmaceutiques.
« Nous avons franchi une barrière en concevant un système robotique liquide qui peut fonctionner de manière autonome en utilisant la chimie pour contrôler la flottabilité d’un objet », a déclaré l’auteur principal Tom Russell, chercheur invité et professeur de science et d’ingénierie des polymères de l’Université du Massachusetts Amherst qui dirige le programme Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids au sein de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab.
Russell a déclaré que la technologie fait considérablement progresser une famille de dispositifs robotiques appelés « liquibots ». Dans des études précédentes, d’autres chercheurs ont démontré des liquibots qui effectuent une tâche de manière autonome, mais une seule fois ; et certains liquibots peuvent effectuer une tâche en continu, mais ont besoin d’électricité pour continuer à fonctionner. En revanche, « nous n’avons pas à fournir d’énergie électrique parce que nos liquibots tirent leur énergie ou leur « nourriture » chimiquement des médias environnants », a expliqué Russell.
Grâce à une série d’expériences dans la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, Russell et le premier auteur Ganhua Xie, ancien chercheur postdoctoral au Berkeley Lab et maintenant professeur à l’Université du Hunan en Chine, ont appris que « nourrir » le sel des liquibots rend les liquibots plus lourds ou plus dense que la solution liquide qui les entoure.
Des expériences supplémentaires menées par les co-investigateurs Paul Ashby et Brett Helms de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab ont révélé comment les liquibots transportent des produits chimiques dans les deux sens.
Parce qu’ils sont plus denses que la solution, les liquibots – qui ressemblent à de petits sacs ouverts et ne mesurent que 2 millimètres de diamètre – se regroupent au milieu de la solution où ils se remplissent de produits chimiques sélectionnés. Cela déclenche une réaction qui génère des bulles d’oxygène qui, comme de petits ballons, soulèvent le liquibot jusqu’à la surface.
Une autre réaction attire les liquibots vers le bord d’un conteneur, où ils « atterrissent » et déchargent leur cargaison.
Les liquibots vont et viennent, comme le pendule d’une horloge, et peuvent fonctionner en continu tant qu’il y a de la « nourriture » dans le système.
Selon leur formulation, un ensemble de liquibots pourrait effectuer différentes tâches simultanément. Par exemple, certains liquibots pourraient détecter différents types de gaz dans l’environnement, tandis que d’autres réagissent à des types spécifiques de produits chimiques. La technologie peut également permettre des systèmes robotiques autonomes et continus qui examinent de petits échantillons chimiques pour des applications cliniques, ou des applications de découverte et de synthèse de médicaments.
Russell et Xie prévoient ensuite d’étudier comment étendre la technologie pour des systèmes plus grands et d’explorer comment elle fonctionnerait sur des surfaces solides.
Référence : « Un transport de fret souterrain autonome et continu par des systèmes d’escalade de ménisque inspirés de la nature » par Ganhua Xie, Pei Li, Paul Y. Kim, Pei-Yang Gu, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Lei Jiang et Thomas P Russell, le 29 novembre 2021, Chimie de la nature.
DOI : 10.1038 / s41557-021-00837-5
La fonderie moléculaire est une installation d’utilisateurs de nanosciences au Berkeley Lab.
Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Science. Un soutien supplémentaire a été fourni par le US Army Research Office.
