Capteur de température pour peau artificielle

Les serpents à sonnette et les vipères à tête noire sont connus pour leur capacité à localiser leurs proies dans l'obscurité totale. L'organe de la fosse très sensible situé entre l'œil et le nez leur permet de percevoir le corps chaud d'un mammifère même à un mètre de distance. Le fonctionnement exact de ces capteurs de température n'a été décrypté qu'il y a quelques années.

Les scientifiques réunis autour de Chiara Daraio du département Génie mécanique et des procédés à l'ETH Zurich ont maintenant réussi à fabriquer un capteur de température artificiel à base de substances naturelles, qui est tout aussi sensible et qui, grâce à sa flexibilité et à d'autres propriétés utiles, pourrait bientôt être utilisé comme composant de la peau artificielle dans les prothèses ou les bras de robots.

Découverte grâce au "cyber-bois

Ce capteur de température doit sa découverte à un heureux hasard. Raffaele Di Giacomo, qui a dirigé le projet dans le laboratoire de la professeure Daraio de l'ETH, avait d'abord découvert dans le cadre de ses recherches une particularité de la matière végétale qu'est la pectine. Dans la vie quotidienne, la pectine est plutôt connue comme gélifiant pour les puddings ou les confitures, mais Di Giacomo s'est intéressé à une autre propriété de cette substance composée de nombreuses molécules de sucre alignées les unes à côté des autres.

Des expériences sur les branches d'arbres dont les parois cellulaires contiennent de la pectine avaient en effet révélé que leur conductivité électrique dépendait fortement de la température. Afin d'étudier le mécanisme responsable de ce phénomène, les chercheurs zurichois ont fabriqué un "cyber-bois" artificiel à partir de pectine et de nanotubes de carbone (voir Actualités ETH du 31.03.2015).

En mesurant la résistance électrique à différentes températures, ils ont finalement découvert que les ions calcium piégés aux points de contact entre deux molécules de sucre de la pectine étaient responsables du mécanisme de détection. Plus la température était élevée, plus il y avait d'ions calcium libres dans le bois artificiel, et plus il conduisait le courant électrique.

Film mince de pectine

"Nous avions ainsi trouvé un matériau idéal pour un capteur de température ultrasensible", se souvient Di Giacomo, "mais il était aussi rigide que le bois et donc tout à fait inadapté à une utilisation dans une peau artificielle". La percée a eu lieu lorsque, en collaboration avec le doctorant Luca Bonanomi, il a remplacé le bois artificiel par un film de 100 micromètres d'épaisseur seulement, composé d'une simple gelée de pectine mélangée à une solution de calcium.

Aux deux extrémités du film, les chercheurs ont placé des électrodes qui leur ont permis de mesurer la conductivité. Résultat : même ce simple film de pectine conduisait d'autant mieux le courant électrique qu'il était chaud. De plus, il était très fin, transparent et pratiquement pliable et déformable à volonté.

Sensible comme un serpent

Des mesures plus précises ont révélé que les scientifiques de l'ETH avaient ainsi trouvé un capteur de température capable de se mesurer même à l'organe très sensible de la fosse des serpents. De 10 à 50 degrés Celsius, le film de pectine peut mesurer les températures avec une précision d'un centième de degré. C'est comparable à la sensibilité de l'organe de la fosse et deux fois plus sensible que la peau humaine.

"En outre", ajoute Di Giacomo, "notre film de pectine est extrêmement facile à fabriquer et ne contient pas de transistors ou d'autres composants électroniques. Il est donc nettement plus robuste et moins sensible aux perturbations que les capteurs de température flexibles traditionnels".

Résolution spatiale

Pour convenir aux applications dans les prothèses, le film de pectine doit continuer à fonctionner même lorsqu'il n'est pas posé à plat, mais fortement déformé. Le film sensible à la température a passé le test sans difficulté. De plus, il devrait être possible de localiser un changement de température localisé dans un film de grande surface - de la même manière que la peau humaine est capable de résoudre spatialement un stimulus de chaleur ou de froid.

Pour le vérifier, les chercheurs ont appliqué plusieurs électrodes sur les côtés longitudinaux et transversaux d'un film de 25 centimètres carrés, divisant le film en une grille imaginaire. Si un doigt humain touchait le film à un endroit précis, les scientifiques pouvaient déterminer assez précisément l'endroit du contact à partir de la modification des signaux sur les différentes électrodes.

"Actuellement, nous perfectionnons encore les algorithmes informatiques avec lesquels nous analysons les signaux des électrodes", explique l'ancien étudiant en master Vincenzo Costanza, coauteur de l'étude. Associé à une amélioration des contacts électriques, le capteur de température devrait alors bientôt être prêt pour un test pratique dans la robotique ou la prothétique.