Une équipe du MIT met au point une fibre musculaire synthétique inspirée du concombre

Ceux qui ont déjà planté un concombre savent que la plante fait usage d’un mécanisme très intéressant pour s’assurer un bon ensoleillement. En grandissant, elle va émettre un sarment qui va chercher un support plus en hauteur où s’accrocher. Il permettra ensuite de “tirer” la plante vers le haut, s’assurant ainsi un approvisionnement en soleil plus optimal.

C’est en partant de l’observation de ce procédé que l’on retrouve chez de nombreux végétaux qu’une équipe du MIT a mis au point un nouveau type de fibre contractile synthétique, faisant office de fibre musculaire artificielle. Cette étude publié dans Science pourrait déboucher sur des applications à des robots ou à des prothèses, par exemple.

Actuellement, on utilise différentes techniques pour remplir ce rôle de “muscle” : des servo-moteurs, des systèmes hydrauliques à base de pistons, des métaux à mémoire de forme, ou même des polymères répondant aux stimulus.

Mais toutes ces techniques présentent des défauts, qui peuvent s’avérer rédhibitoires en pratique : un système hydraulique ou un servomoteur peuvent facilement peser plusieurs dizaines de kilos, quand ces polymères nouvelle génération souffrent encore de temps de réponse trop longs pour servir en conditions réelles.

L’avantage de ces nouvelles fibres est qu’elles sont à la fois rapides et extrêmement légères, ce qui ouvre des tas de possibilités en termes d’applications. De plus, elles sont extrêmement tolérantes mécaniquement parlant, à l’inverse de beaucoup de systèmes mécaniques : elles ont donc une durée de vie très élevée. D’après l’équipe de recherche, la fibre ne montrerait aucun signe de faiblesse après 10.000 répétitions : une caractéristique indispensable pour offrir des applications concrètes à cette technologie. De plus, on peut facilement produire de telles fibres au diamètre que l’on veut, de quelques micromètre à plusieurs millimètres. Et ce sur plusieurs centaines de mètres de longueur si besoin !

Cela ouvre des perspectives très intéressantes pour des prothèses plus légères et extrêmement durables. D’après Polina Anikeeva, une des auteurs de l’étude, on pourrait également envisager de nombreuses applications à des appareils miniaturisés, comme des micro-robots médicaux, qui pourraient opérer avec une extrême précision dans des milieux aussi réduits qu’une artère.

Mais les utilisations potentielles ne se limitent pas à la réparation : ces fibres peuvent soulever jusqu’à 650 fois leur poids ! On peut donc leur imaginer des applications à des appareils de manutention ou de transport. Il suffirait pour cela de les associer selon le modèle bien connu des muscles, où des millions de microfibrilles sont associées dans des ensembles sur plusieurs niveaux pour produire une force importante.

Un principe simple mais extrêmement efficace

Pour arriver à ce résultat, l’équipe a utilisé une technique permettant de joindre deux polymères différents en une seule et même fibre. Ces deux polymères diffèrent sur un point clé, lié à la température.
En effet, tous les matériaux ont tendance à augmenter de volume lorsqu’ils sont chauffés. La vitesse à laquelle ce volume augmente en fonction de l’augmentation de température est nommé coefficient d’expansion thermique : elle est très différente dans les deux polymères qui composent la fibre. Ainsi, quand on chauffe la fibre, l’un des deux polymères va “grandir” plus vite que l’autre et “pousser” sur la seconde, qui va de son côté “tirer” sur la première. C’est ce déséquilibre qui va vriller la fibre, de la même façon qu’un sarment de concombre. En se vrillant, elle va se contracter et se resserrer, un peu comme un muscle le ferait.

Mais le hasard fait parfois bien les choses, et l’équipe a fait une autre découverte par inadvertance. En prenant la fibre en main, l’un des chercheurs s’est rendu compte que sa simple chaleur corporelle suffisait à faire vriller la fibre de façon encore plus serrée ! En partant de cette observation, l’équipe a pu paramétrer précisément la fibre pour connaître exactement la force exercée, et surtout, quelle différence de température est nécessaire pour déclencher l’application de cette force.

Cela permet d’avoir un contrôle très fin sur la force exercée par ces fibres. Pour cela, l’équipe a enveloppé sa fibre d’un réseau de nanotubes conducteurs, bardés de capteurs de tension. À terme, de nombreux autres capteurs plus pointus pourraient être intégrés à ce réseau. Les chercheurs envisagent même d’y intégrer un système de chauffage miniature, pour pouvoir contrôler la contraction de chaque sous-ensemble de fibres (et donc la puissance développée) avec une grande précision.

L’avantage majeur de ce système est qu’il se base sur un principe physique très simple, et qu’il peut en théorie fonctionner avec tout couple de matériaux avec des coefficients d’expansion thermique différents. Pour cette raison, cette découverte ouvre de nombreuses portes, et il y a fort à parier que de nouvelles applications potentielles soient découvertes au fur-et-à-mesure que les différentes combinaisons de matériaux seront testées.

Fonctionnement différent, mais même résultat

Un muscle traditionnel ne fonctionne pas comme ces fibres. Chez les animaux, un muscle dit squelettique (attaché au squelette et qui sert à le mettre en mouvement) est un ensemble de millions de microfibrilles, soigneusement empaquetées dans des sous-ensembles de plus en plus grands qui forment un muscle.

Chacune de ces microfibrilles est composée d’un grand nombre de protéines, parmi lesquelles l’actine et la myosine. De façon très imagée, l’actine va servir de “rail” sur lequel la myosine va “tirer” en consommant de l’énergie (ATP) et ainsi raccourcir (contracter) l’ensemble, générant ainsi la force nécessaire. Rien à voir, en somme, avec le principe entièrement physique sur lequel se basent ces nouvelles fibre synthétiques. Mais d’un point de vue fonctionnel, les deux accomplissent le même rôle.

Le mécanisme moléculaire, sans être difficile à comprendre, résulte d’une chaîne de nombreuses réactions chimiques. Pour ceux qui souhaiteraient plus de détails sur le fonctionnement précis d’un muscle squelettique et qui ne sont pas rebutés par la biochimie, ce document très exhaustif les présente très bien .

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