Tisser des liens entre l'électronique et les systèmes vivants
La vie moderne est remplie d'appareils électroniques qui visent à rendre nos journées plus pratiques et plus connectées. Des smartphones aux maisons intelligentes, les appareils numériques se sont profondément imbriqués dans notre façon de travailler, de jouer et d'interagir avec le monde. Cependant, la plupart des gadgets électroniques manquent d'une caractéristique essentielle : la capacité de s'intégrer de manière transparente aux surfaces vivantes et respirantes de notre corps et de notre environnement. Et si nos appareils électroniques pouvaient former des liens imperceptibles avec la peau, les plantes et d'autres matériaux biologiques ? Une équipe de chercheurs de l'université de Cambridge a peut-être trouvé un moyen innovant d'y parvenir en fabriquant des "fibres bioélectroniques" organiques.
L'électronique traditionnelle a du mal à s'intégrer aux formes irrégulières et constamment changeantes des êtres vivants. Les composants électroniques minces et rigides ne parviennent pas à s'adapter aux rides, aux dilatations et aux compressions sous la peau ou au-dessus des feuilles des plantes. Ils risquent également d'interférer avec les sensations, les fonctions et les transformations naturelles en raison de leur encombrement, de leur rigidité et de leur respirabilité limitée. Selon Yan Yan Shery Huang, du département d'ingénierie de Cambridge, qui dirige l'étude, "dans l'idéal, les interfaces bioélectroniques ne devraient pas entraver les sensations inhérentes et les changements physiologiques de leurs hôtes".
Pour résoudre ces problèmes, le Dr Huang et ses collaborateurs se sont tournés vers une approche fibreuse inspirée des toiles d'araignée. Les araignées sont les maîtres architectes de réseaux de mailles complexes et légères, parfaitement adaptés aux environnements locaux. Les chercheurs se sont demandé si les fibres électroniques microscopiques pouvaient réaliser des prouesses similaires en matière d'augmentation personnalisable et peu perturbatrice lorsqu'elles sont déployées directement sur des substrats vivants.
La clé consistait à développer des "fibres bioélectroniques" spéciales, fabriquées à partir de composés biocompatibles tels que le poly( 3, 4-éthylènedioxythiophène) :polystyrène sulfonate (PEDOT:PSS), un polymère conducteur d'électricité. En mélangeant des solutions de PEDOT:PSS avec des substances telles que l'acide hyaluronique et l'oxyde de polyéthylène, l'équipe a obtenu une "solution viscoélastique" capable de former des fibres fines et durables grâce à un ingénieux processus de "filage orbital".
Dans la filature orbitale, les chercheurs ancrent un bras en rotation au-dessus d'une surface cible - qu'il s'agisse du bout d'un doigt, d'une feuille de plante ou d'un embryon de poulet. Au fur et à mesure que le bras tourne, ses arêtes fouettent des fils de solution directement à partir d'une buse de seringue sur la cible située en dessous. Les forces capillaires et visqueuses ainsi que les rotations sculptent le matériau en brins qui s'attachent précisément là où ils sont nécessaires. En réglant des variables telles que la vitesse d'essorage, une seule buse peut créer des motifs de fibres complexes presque aussi rapidement que les araignées tissent leurs toiles.
En appliquant cette approche, les chercheurs ont réussi à "attacher" des fibres bioélectroniques d'une épaisseur de 1 à 5 micromètres à un assortiment de formes vivantes. La microscopie électronique a révélé que les fibres s'accouplaient intimement avec des crevasses et des contours microscopiques, depuis les trichomes végétaux et les follicules pileux jusqu'aux empreintes digitales. Ce contact à l'échelle nanométrique est crucial car il permet de transmettre de subtils signaux électriques, thermiques et d'humidité à partir des surfaces situées en dessous.
De manière significative, les tests ont révélé que les touches de filage de la lumière laissaient inchangés les échantillons biologiques tels que les embryons de poulet et les feuilles sensibles de Mimosa pudica. "Nos résultats montrent que les embryons de poulet du deuxième jour avec des réseaux de fibres sur les tissus en développement affichent des taux de croissance normaux", note le Dr Huang. Le dépôt de fibres a donc un impact sur les substrats vivants à peine plus important que le contact des pattes d'une araignée avec les feuilles et les murs.
Armés de leurs réseaux de fibres à perturbation minimale, les chercheurs ont fabriqué divers capteurs imperceptibles. Sur la peau humaine, ils ont fabriqué des électrodes d'électrocardiogramme et d'électromyogramme qui ont suivi les battements de cœur et les mouvements musculaires. Les fibres peuvent également transformer le bout des doigts en circuits vivants en les associant à des feuilles de plantes sensibles au toucher, ce qui permet d'enregistrer l'électrocardiogramme de deux personnes en contact physique.
Dans les plantes, les réseaux de fibres distribuées ont détecté l'exposition à l'ammoniac de l'environnement en modifiant la luminosité d'une DEL lorsqu'elle est alimentée par le réseau. Sur les feuilles, les chercheurs ont même "réécrit" les circuits de fibres in situ en effaçant les traces indésirables et en ajoutant de nouvelles connexions, montrant ainsi que les réseaux de fibres favorisent la détection adaptative et reconfigurable au fil du développement.
Plus remarquable encore, les fibres bioélectroniques ont épousé des substrats de l'ordre du micromètre au centimètre. L'équipe a couplé des réseaux de fibres directement à des composants électroniques préfabriqués tels que des micro-LED sans avoir besoin d'adhésifs ou de substituts pour les propriétés matérielles manquantes telles que l'extensibilité. À l'avenir, une liaison interfaciale sèche similaire pourrait relier des fibres à des textiles électroniques, ce qui permettrait de tisser des machines souples dans des tissus végétaux et humains résistants.
Comparée à d'autres méthodes d'augmentation, la technique des fibres se révèle exceptionnellement durable. Ses matières premières sont des composés abondants sur terre, et ses procédés consomment peu d'énergie, de volumes de solution et génèrent peu de déchets. Les réseaux fabriqués se sont également révélés réparables et recyclables, les fibres collectées pouvant être redissolvées en encres pour l'impression 3D de dispositifs ultérieurs. Selon Iek Man Lei, coauteur de l'étude et professeur à l'université de Macao, de tels cycles de vie en boucle fermée pourraient contribuer à réduire l'impact de l'électronique sur l'environnement.
En réunissant la biologie et la technologie à l'extrémité des fils, cette œuvre ouvre la voie à des unions plus naturelles et imperceptibles entre les formes vivantes et le monde numérique au sens large. En mettant l'électronique en contact intime avec des surfaces variées à de multiples échelles, les fibres bioélectroniques pourraient un jour nous revêtir, nous, les plantes et bien d'autres choses encore, de peaux sensorielles polyvalentes. Si elles sont dimensionnées et intégrées de manière réfléchie, ces augmentations pourraient avoir des effets bénéfiques sur la santé, l'environnement et l'agriculture, tout en complétant - et non en copiant - les propriétés inhérentes à la vie. En fin de compte, la fabrication d'électronique à partir de fils fibreux pourrait bien tisser les machines de la manière la plus transparente qui soit dans les tapisseries de la nature. Bien qu'elle n'en soit qu'à ses débuts, cette recherche ouvre des perspectives qui permettront à la technologie de s'intégrer de manière encore plus imperceptible dans notre monde.
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