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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 capteurcapteur inspiré des mécanorécepteurs cutanéscutanés. Celui-ci est capable de détecter le degré de pressionpression 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 digitalesempreintes digitales.
Ce nouveau matériaumatériau 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 acoustiquesondes acoustiques et de distinguer différentes texturestextures.
Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs se sont inspirés des structures imbriquées du dermederme et de l'épidermeépiderme. « Les propriétés piézoélectriquespiézoélectriques 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 polymèrespolymères ferroélectriques composites à base de polyfluorure de vinylidène (PVDF) et d'oxyde graphènegraphène réduit (rGO) », peut-on lire dans l'article publié par Science Advances.
Cette peau artificielle élastomèreélastomère 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
Restituer les informations au cerveau est un obstacle majeur
Lorsqu'une pression externe presse les couches les unes contre les autres, un courant électriquecourant électrique circule à travers l'épaisseur de la peau artificielle. Ce flux électrique est mesuré par des électrodesélectrodes 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 chaleurchaleur 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 vibrationsvibrations 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 mobilemobile.
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 cerveaucerveau 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.
