Recherche sur les dispositifs électroniques biomimétiques multi-matériaux imprimés en 3D par micro-coulée basée sur un moule

Contexte académique

Avec le développement rapide des technologies électroniques biomimétiques, la peau électronique (E-skin) et les capteurs flexibles qui imitent les fonctions sensorielles humaines montrent un potentiel prometteur dans les domaines de la robotique, des dispositifs médicaux et de l’interaction homme-machine. Cependant, les dispositifs électroniques biomimétiques existants font face à de nombreux défis en matière de sélection des matériaux, de complexité structurelle et d’intégration fonctionnelle. En particulier, la manière d’assembler librement plusieurs matériaux difficiles à façonner sans compromettre leurs performances, tout en intégrant des fonctionnalités multiples, constitue un goulot d’étranglement dans la recherche actuelle.

Les méthodes de fabrication traditionnelles, telles que l’électrofilage, la photolithographie et l’impression par transfert, ont souvent du mal à répondre simultanément aux besoins de diversité des matériaux et de complexité structurelle. Bien que la technologie d’impression 3D offre des possibilités pour la fabrication de structures complexes, elle rencontre encore des problèmes de compatibilité des matériaux et de résolution structurelle insuffisante lorsqu’il s’agit de traiter plusieurs matériaux difficiles. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs se sont inspirés de la technique ancienne de la cire perdue (Lost-wax Casting) pour proposer une stratégie de stéréolithographie 3D guidée par la logique booléenne et basée sur la micro-coulée par moule (Boolean-logic-guided Investment Micro-casting 3D Stereolithography, BMSL), visant à réaliser l’assemblage libre de plusieurs matériaux difficiles et l’intégration multifonctionnelle.

Origine de l’étude

Cette recherche a été dirigée par Chunjiang Wang et Xiaoming Chen du Centre de recherche sur les technologies micro et nano de l’Université de Xi’an Jiaotong, en collaboration avec plusieurs équipes de recherche, dont l’Université de Hong Kong et l’École d’ingénierie des sciences électroniques de l’Université de Xi’an Jiaotong. Les résultats ont été publiés le 16 mai 2025 dans la revue Device, sous le titre Investment Micro-casting 3D-Printed Multi-Metamaterial for Programmable Multimodal Biomimetic Electronics, avec le DOI https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100658.

Processus de recherche et méthodes expérimentales

Processus de recherche

1. Conception et préparation des moules
   L’étude a commencé par la fabrication d’un modèle complexe en résine soluble (Pre-mold, PM) à l’aide de la technologie d’impression 3D, en utilisant de la cire fondue comme moule amovible. Grâce à la technologie d’électromouillage (Electrowetting), les chercheurs ont nettoyé la cire du moule pour former un moule creux.

2. Remplissage et solidification des matériaux
   Des nanocomposites prétraités ont été injectés dans le moule creux, puis solidifiés par infusion forcée, formant ainsi des structures avec plusieurs matériaux difficiles à façonner. Grâce à cette méthode, l’équipe de recherche a réussi à fabriquer plus de 20 matériaux difficiles à façonner, y compris des matériaux électromagnétiques, des nanocéramiques à haute absorption, des alliages d’étain 3D et des hydrogels.

3. Conception et test de la peau électronique biomimétique
   En s’appuyant sur la technologie BMSL, les chercheurs ont développé une peau électronique piézoélectrique biomimétique (FMP) capable de transmettre en temps réel les actions de pression, de rotation et de rigidité. Grâce à la conception d’un réseau de micro-unités graduées, les chercheurs ont appliqué le FMP à des opérations robotiques, en réalisant des fonctions de perception multimodale et de reconnaissance de soi.

Méthodes expérimentales

• Technologie d’électromouillage : En appliquant un champ électrique spatial, les chercheurs ont réussi à introduire la solution dans des micropores ultra-profonds, assurant ainsi la dissolution complète du moule.
• Remplissage sous pression hydraulique : En remplissant les matériaux sous une pression hydraulique constante, les chercheurs ont assuré une distribution uniforme des matériaux dans les micropores, évitant ainsi les cavités locales et les discontinuités structurelles.
• Test des performances piézoélectriques : Les chercheurs ont testé les performances piézoélectriques de la peau électronique biomimétique, validant ainsi sa sensibilité et sa stabilité dans une large plage de pressions.

Principaux résultats de recherche

1. Assemblage libre de multiples matériaux
   Grâce à la technologie BMSL, les chercheurs ont réussi à assembler librement plusieurs matériaux difficiles à façonner, y compris des matériaux électromagnétiques, des nanocéramiques, des alliages d’étain et des hydrogels. Les résultats expérimentaux montrent que cette technologie peut réaliser une fabrication précise de structures complexes tout en préservant les performances des matériaux.

2. Performances de la peau électronique biomimétique
   La peau électronique biomimétique, fabriquée à l’aide de la technologie BMSL, présente d’excellentes performances de réponse piézoélectrique, permettant une perception hautement sensible dans une plage de pression de 8 à 240 kPa. Les chercheurs ont validé les performances exceptionnelles de cette peau électronique en termes de préhension et de perception de la dureté, à travers des expériences d’opération robotique.

3. Perception multimodale et reconnaissance de soi
   Grâce à la conception d’un réseau de micro-unités graduées, la peau électronique biomimétique est capable de réaliser une perception multimodale et une reconnaissance de soi. Les résultats expérimentaux montrent que cette peau électronique peut fournir un retour d’information en temps réel sur la dureté et la forme des objets saisis, améliorant ainsi la précision des robots dans des opérations complexes.

Conclusion et signification de la recherche

Cette étude propose une stratégie de stéréolithographie 3D guidée par la logique booléenne et basée sur la micro-coulée par moule (BMSL), réussissant ainsi à assembler librement plusieurs matériaux difficiles à façonner et à intégrer des fonctionnalités multiples. Grâce à cette technologie, les chercheurs ont réussi à fabriquer plus de 20 matériaux difficiles à façonner et à développer une peau électronique piézoélectrique biomimétique, qui présente d’excellentes performances de réponse piézoélectrique et des capacités de perception multimodale.

La valeur scientifique de cette recherche réside dans l’offre d’une nouvelle voie technologique pour la fabrication de plusieurs matériaux difficiles, en résolvant les problèmes de compatibilité des matériaux et de fabrication de structures complexes rencontrés par les méthodes de fabrication traditionnelles. Sur le plan applicatif, cette technologie ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de peaux électroniques biomimétiques et de capteurs flexibles, susceptibles d’être largement appliqués dans les domaines de la robotique, des dispositifs médicaux et de l’interaction homme-machine.

Points forts de la recherche

1. Assemblage libre de multiples matériaux : Grâce à la technologie BMSL, les chercheurs ont réussi à assembler librement plusieurs matériaux difficiles à façonner, surmontant ainsi les limitations des méthodes de fabrication traditionnelles.
2. Développement de la peau électronique biomimétique : La peau électronique biomimétique, fabriquée à l’aide de la technologie BMSL, présente d’excellentes performances de réponse piézoélectrique et des capacités de perception multimodale, offrant ainsi de nouveaux moyens technologiques pour les opérations robotiques.
3. Innovation dans les méthodes de fabrication : La technologie BMSL, inspirée de la technique ancienne de la cire perdue et combinée à la technologie moderne d’impression 3D, propose une méthode de fabrication innovante avec un large potentiel d’application.

Cette recherche apporte une avancée technologique importante dans le domaine des technologies électroniques biomimétiques, et les études futures pourraient explorer davantage le potentiel de cette technologie dans un plus grand nombre de matériaux et de scénarios applicatifs.