De la peau ionique pour prothèse bionique

Dans la quête pour construire une peau intelligente qui imite les capacités de détection des récepteurs naturels de la peau, les gels ioniques montrent des avantages significatifs. Ces hydrogels flexibles et biocompatibles utilisent des ions pour transporter les charges électriques. Contrairement aux peaux intelligentes constituées de capteurs plastiques rigides ou de métal, les peaux ioniques ont des propriétés mécaniques similaires à celles de la peau humaine, permettant d’offrir une sensation plus naturelle à des prothèses du bras ou à une main de robot qui en seraient recouvertes et les rendant confortables à porter dans des vêtements intelligents.

Ces hydrogels peuvent en effet générer une tension et un courant électrique en réaction à une stimulation, tels qu’un toucher ou une pression du doigt, phénomène appelé effet piézoionique (du grec "piezo" appuyer). Cependant, les mécanismes impliqués dans la conversion d’une stimulation mécanique en signal électrique n’étaient pas totalement compris.
Ces hydrogels contiennent un électrolyte, c’est-à-dire des ions positifs et négatifs de différentes tailles solubilisés dans un solvant tel que l’eau. En étudiant la façon dont chacun de ces ions bougeaient sous l’action d’une pression mécanique, il a été possible de déterminer que ces ions ne se déplaçaient pas à la même vitesse, conduisant leur distribution non homogène dans le gel et à la création d’un champ électrique.
Ces nouvelles connaissances confirment que les hydrogels fonctionnent d’une manière similaire aux mécanorécepteurs de la peau naturelle, également basés sur le déplacement d’ions en réponse à la pression, inspirant de nouvelles applications potentielles pour les peaux ioniques.

Pour John Madden, professeur de génie électrique et informatique à la faculté des sciences appliquées de l’University of British Columbia (UBC), une application future consistera à créer des capteurs qui interagissent directement avec les cellules et le système nerveux en imaginant une prothèse de bras recouverte d'une peau ionique qui détecte un objet par le toucher ou la pression et qui transmet cette information par les nerfs au cerveau activant alors les moteurs nécessaires pour soulever ou tenir l'objet.

Pour Yuta Dobashi, doctorant à l'Université de Toronto, une autre application pour ces capteurs hydrogels, souples, étirables et transparents, est de les utiliser directement sur la peau afin de suivre par exemple les signaux physiologiques d'un patient tout en restant totalement discret et en générant sa propre énergie. Des articulations artificielles implantables pourraient être également envisagées, sans crainte de rejet par le corps humain, par exemple en tant que cartilage artificiel du genou, ajoutant un élément de détection intelligent.

Les résultats de cette étude publiée dans Science le 28 avril 2022, comprend également des contributions de Yael Petel, titulaire d'un doctorat en chimie à l'UBC, et de Carl Michal, professeur de physique à l'UBC, qui ont utilisé l'interaction entre les champs magnétiques puissants et les spins nucléaires des ions pour suivre les mouvements des ions dans les hydrogels.

Lire l'article en anglais sur le site de Science
Voir le replay du reportage diffusé dans le journal télévisé de France 2
Edition du mercredi 26 octobre 2022 à 20h Peau artificielle, la révolution du toucher (28:30)

En savoir plus

• Let's CY | Vers la peau ionique
• LPPI - Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces