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Une peau artificielle qui peut sentir et « entendre »

Inspirée de la structure des crêtes papillaires de nos doigts (qui fournissent les empreintes digitales), la peau artificielle ferroélectrique créée par une équipe de chercheurs sud-coréens est capable de détecter une pression statique ou dynamique, des vibrations ainsi que la température. Elle peut même détecter des sons avec plus de précision que le microphone d’un smartphone.

La peau humaine est extraordinaire de complexité. Grâce à elle, nous percevons simultanément une grande variété de stimuli mécaniques et thermiques. Les spécialistes qui travaillent au développement de peaux artificielles cherchent le moyen de reproduire la microstructure ainsi que les récepteurs qui pourraient permettre de détecter autant d’informations tactiles à travers un contact dynamique ou statique.

Récemment, l’université de Stanford (États-Unis) a fait état de progrès significatifs dans le développement d’un capteur inspiré des mécanorécepteurs cutanés. Celui-ci est capable de détecter le degré de pression exercé et de transmettre cette information à des cellules cérébrales. Jusqu’à présent, les peaux artificielles les plus abouties pouvaient au mieux détecter la température ou sentir la pression d’un contact statique. Mais une équipe de chercheurs de l’Ulsan National Institute of Science and Technology (Unist), en Corée du Sud, a réalisé une avancée prometteuse avec une peau factice dont la surface imite les sillons et les creux des empreintes digitales.

Ce nouveau matériau souple peut détecter simultanément une pression statique ou dynamique, la température et même le son. Des essais effectués en laboratoire ont permis de mesurer à la fois la pression et la température de vaisseaux artériels, de détecter avec précision des ondes acoustiques et de distinguer différentes textures.

Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs se sont inspirés des structures imbriquées du dermeet de l’épiderme. « Les propriétés piézoélectriques et pyroélectriques de la peau humaine qui détectent un toucher dynamique et la température sont réalisées dans la peau artificielle en utilisant les réponses piézoélectriques et pyroélectriques de polymères ferroélectriques composites à base de polyfluorure de vinylidène (PVDF) et d’oxyde graphène réduit (rGO) », peut-on lire dans l’article publié par Science Advances.

Cette peau artificielle élastomère imite donc le profil des sillons et des crêtes papillaires de nos doigts, ainsi que les structures qui font circuler les informations entre le derme, l’épiderme et les mécanorécepteurs cutanés. La surface et les couches piézoélectriques et ferroélectriques permettent au dispositif de capter la texture, la pression statique et dynamique ainsi que la température. Le cœur du dispositif est ce que les scientifiques appellent un « réseau de microdomes imbriqués » qui va amplifier le signal.

Ce schéma montre comment la peau artificielle (electronic skin) reproduit la structure de la peau humaine (fingfertip skin), avec ses sillons et ses crêtes. Des couches superposées permettent de détecter une pression statique, dynamique, de ressentir la température et de distinguer des textures. Le tout est converti en signal électrique dont l’intensité indique la nuance du stimulus. © Ulsan National Institute of Science and Technology

Ce schéma montre comment la peau artificielle (electronic skin) reproduit la structure de la peau humaine (fingfertip skin), avec ses sillons et ses crêtes. Des couches superposées permettent de détecter une pression statique, dynamique, de ressentir la température et de distinguer des textures. Le tout est converti en signal électrique dont l’intensité indique la nuance du stimulus. © Ulsan National Institute of Science and Technology

Restituer les informations au cerveau est un obstacle majeur

Lorsqu’une pression externe presse les couches les unes contre les autres, un courant électriquecircule à travers l’épaisseur de la peau artificielle. Ce flux électrique est mesuré par des électrodes et enregistré comme une pression. L’intensité du courant détermine le degré de pression. Pour ce qui est de la température, le dispositif détecte la contraction ou l’assouplissement du matériau sous l’effet du froid ou de la chaleur et le retranscrit également en courant électrique.

La sensibilité de cette peau artificielle est si fine qu’elle peut même capter des sons. Les ondes acoustiques provoquent des vibrations que les « microdomes » parviennent à convertir en signal électrique. Pour tester cette réaction, l’équipe de l’Unist a diffusé un enregistrement d’une voix épelant le mot « peau ». Les ondes sonores récoltées par la peau artificielle ont été comparées à celles de la source ainsi qu’à celles enregistrées par un smartphone. Et, d’après les chercheurs, leur peau s’est montrée plus précise que le microphone du mobile.

Tout ceci ouvre des perspectives intéressantes pour le développement de prothèses de membres capables d’offrir un sens du toucher plus réaliste. Mais il faudra avant cela trouver le moyen de transmettre au cerveau toutes ces informations et leurs nuances et c’est là le défi le plus compliqué à relever. L’optogénétique offre une piste prometteuse, mais elle ne peut pas, pour le moment, être appliquée aux cellules humaines. En attendant, la technologie mise en œuvre dans cette peau artificielle pourrait aussi bénéficier à la robotique ainsi qu’au développement de capteurs biométriques directement intégrés dans des vêtements ou des accessoires connectés.

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