Robots serpents biomimétiques imprimés en 4D

Contexte académique

Avec les progrès de la technologie médicale, la capacité des microrobots sans fil à naviguer dans les réseaux vasculaires complexes des organismes vivants suscite un intérêt croissant. Ces robots peuvent effectuer des tâches médicales précises dans des espaces confinés, telles que l’administration ciblée de médicaments, l’endoscopie et la chirurgie mini-invasive. Cependant, les microrobots traditionnels, en raison de leur encombrement et de leurs connexions complexes, ont du mal à se déplacer de manière flexible dans les environnements vasculaires étroits. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont commencé à explorer des conceptions biomimétiques, en particulier en imitant les mouvements des serpents. Les serpents, avec leur corps à haut rapport longueur-largeur et leur mode de nage ondulatoire, démontrent une mobilité exceptionnelle dans les environnements liquides, ce qui inspire la conception de microrobots capables de naviguer dans les vaisseaux sanguins étroits.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Xingcheng Ou, Jiaqi Huang, Dantong Huang et d’autres chercheurs de l’Université Sun Yat-sen, et publié dans la revue Bio-design and Manufacturing, en ligne le 10 janvier 2025. L’article, intitulé “4D-printed snake-like biomimetic soft robots”, vise à concevoir un robot serpent biomimétique imprimé en 4D à l’aide d’encre intelligente magnétoréactive, pour l’administration de médicaments dans les vaisseaux sanguins étroits.

Processus et résultats de la recherche

1. Préparation et optimisation de l’encre magnétoréactive

Les chercheurs ont d’abord préparé une encre intelligente magnétoréactive en mélangeant des particules magnétiques de néodyme-fer-bore (NdFeB) avec un polymère non durci (Ecoflex 00-10) dans un rapport massique de 3:1. Les particules magnétiques ont été uniformément dispersées à l’aide d’un mélangeur planétaire centrifuge, et les bulles d’air ont été éliminées. Les propriétés rhéologiques de l’encre ont été mesurées à l’aide d’un rhéomètre rotatif pour garantir une bonne fluidité à des taux de cisaillement élevés et une stabilité de forme à des taux de cisaillement faibles. En ajustant la pression et la vitesse d’impression, les chercheurs ont optimisé les paramètres d’impression de l’encre pour produire des filaments continus et de diamètre contrôlé.

2. Fabrication du robot serpent

Les chercheurs ont utilisé une imprimante 3D à écriture directe d’encre (DIW) construite sur mesure pour fabriquer le robot serpent par dépôt couche par couche. Le modèle du robot a été conçu à l’aide du logiciel Unigraphics NX, et les chemins d’impression ont été générés par un logiciel de découpage. Après l’impression, le robot a été magnétisé par un champ magnétique pulsé intense, lui permettant de se déplacer de manière ondulatoire sous l’action d’un champ magnétique externe.

3. Contrôle du mouvement et analyse expérimentale

Les chercheurs ont développé une stratégie de contrôle du mouvement complexe, utilisant un système de bobines de Helmholtz 3D pour générer des champs magnétiques dynamiques, permettant au robot serpent d’effectuer divers mouvements, tels que la nage en ligne droite, les virages précis, les mouvements circulaires et les mouvements en groupe. Les mouvements du robot ont été surveillés en temps réel à l’aide d’une caméra haute vitesse, et les données ont été analysées à l’aide du logiciel open-source Tracker. Les résultats expérimentaux montrent que le robot serpent peut effectuer une nage ondulatoire efficace sous différentes intensités et fréquences de champ magnétique, atteignant une vitesse maximale de 51,159 mm/s.

4. Expérience d’administration de médicaments

Pour valider le potentiel d’application du robot serpent dans l’administration de médicaments, les chercheurs ont encapsulé un simulateur de médicament (rhodamine B) dans la tête du robot et ont mené des expériences de navigation et de libération de médicaments dans un modèle de vaisseau coronarien simulé. Les résultats montrent que le robot serpent peut naviguer rapidement vers la zone cible dans de l’eau à 32°C et libérer le médicament en 7 minutes.

Conclusion et signification

Cette étude a permis de concevoir et de fabriquer avec succès un robot serpent biomimétique imprimé en 4D, en utilisant une encre intelligente magnétoréactive pour une fabrication de haute précision et un contrôle flexible des mouvements. Ce robot peut naviguer efficacement dans des environnements vasculaires étroits et réaliser une administration précise de médicaments. Cette conception innovante offre de nouveaux outils pour les futures chirurgies mini-invasives et l’administration ciblée de médicaments, avec une valeur scientifique et pratique significative.

Points forts de la recherche

1. Conception biomimétique : Imitation du mode de nage ondulatoire des serpents pour concevoir un robot serpent à haut rapport longueur-largeur, capable de se déplacer de manière flexible dans les vaisseaux sanguins étroits.
2. Technologie d’impression 4D : Utilisation de l’impression 4D pour fabriquer un robot souple magnétoréactif, permettant une fabrication de haute précision et personnalisable.
3. Contrôle magnétique des mouvements : Grâce à un champ magnétique dynamique, le robot peut effectuer des mouvements complexes, tels que la nage en ligne droite, les virages et les mouvements en groupe.
4. Application à l’administration de médicaments : Les expériences valident la capacité du robot serpent à administrer des médicaments dans un environnement vasculaire simulé, démontrant son potentiel dans le domaine médical.

Autres informations utiles

Les chercheurs ont également développé un modèle basé sur l’analyse par éléments finis (FEA) pour simuler le comportement du robot serpent dans un champ magnétique. En programmant l’anisotropie magnétique, les chercheurs peuvent prédire les modes de déformation du robot sous différentes conditions de champ magnétique, fournissant un support théorique pour la conception et l’optimisation du robot.

Cette étude contribue non seulement au développement des technologies de robots souples biomimétiques, mais ouvre également de nouvelles perspectives pour les applications médicales futures.