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Les 10 découvertes de 2018

Des capteurs de mouvement imprimés en 3D

03-01-2019

Le capteur est l’aboutissement des travaux de doctorat de Sampada Bodkhe. Photo: Hongqiuwe

Imprimé sur un chandail, ce capteur de mouvements ne requiert ni pile ni assemblage pour suivre le rythme de notre respiration.

Teeshirts, maillots et sous-vêtements qui enregistrent le rythme cardiaque, la respiration, la position de celui ou celle qui les portent ; la tendance est aux vêtements intelligents. Mais ils viennent avec un « accessoire » : une encombrante pile qu’il faut recharger régulièrement. Ils pourraient toutefois s’en départir bientôt grâce à un capteur de mouvements qui se passe de source d’énergie extérieure, mis au point dans les laboratoires de Polytechnique Montréal.

Pour relever ce pari, l’équipe de recherche a eu recours à un matériau piézoélectrique, c’est-à-dire qui a la propriété de produire de l’énergie électrique lorsqu’il est déformé. Depuis plusieurs années, le laboratoire de Daniel Therriault, au Département de génie mécanique de Polytechnique Montréal, s’emploie à adapter ce genre de matériaux aux procédés d’impression 3D. C’est le cas du polymère constitué de nanoparticules de céramique qui a été utilisé dans cette percée.

Mais pour capter et faire passer le courant électrique créé par le matériau piézoélectrique, des électrodes devaient être assemblées de part et d’autre. Afin de réduire le nombre d’étapes de fabrication, les chercheurs se sont tournés vers une pâte composée de nanoparticules d’argent qui présentait les propriétés conductrices voulues pour jouer le rôle d’électrode.

Comme du dentifrice

Prise de vue microscopique de la pâte composite contenant le polymère piézoélectrique.
Photo: Sampada Bodkhe et Hongqiuwe

Il restait à faire sortir les deux composants de l’imprimante 3D en un seul morceau, sans les mélanger ! « On s’est inspirés des tubes de dentifrice », explique Daniel Therriault. Plus précisément, de ces tubes qui expulsent une pâte dont les rayures de couleur ne s’entrecroisent pas. Pour arriver au même effet, les chercheurs ont d’abord appliqué deux traits de pâte conductrice sur les parois internes du réservoir de l’imprimante 3D. Ils ont ensuite rempli le réservoir avec la pâte composite contenant le polymère piézoélectrique. « Le grand défi était de trouver la bonne viscosité pour qu’ils sortent ensemble au même moment », souligne la jeune chercheuse Sampada Bodkhe, dont le capteur constitue l’aboutissement de travaux de doctorat.

Après de multiples essais et erreurs, elle a obtenu le résultat espéré : un mince filament imprimé avec deux couleurs bien distinctes, capable d’envoyer par lui-même un signal électrique à la moindre inflexion. Cette avancée a fait l’objet d’une demande de brevet et d’un article dans la revue Advanced Engineering Materials, publié en juillet 2018.

« C’est quelque chose qui pourrait être utile à court et moyen terme », juge Daniel Therriault. Pour le prouver, les chercheurs l’ont imprimé sur une genouillère portée par un cycliste sur un vélo stationnaire. Les ondulations du voltage émis par le capteur suivaient, à quelques détails près, le mouvement du genou, filmé simultanément par caméra.

Expérimentations

Pour vérifier la sensibilité de la technologie, l’équipe l’a aussi imprimé sur un chandail à la hauteur du thorax. Les variations dans la fréquence et l’amplitude du voltage enregistré permettaient de déterminer si les respirations du porteur étaient courtes et superficielles ou lentes et profondes. Pour ces expériences, les capteurs étaient branchés directement à un système d’acquisition de données, mais ils pourraient éventuellement s’intégrer à un système sans fil.

L’équipe de Daniel Therriault travaille actuellement à insérer le capteur dans le caoutchouc d’une semelle de chaussure afin de dénombrer les pas de son utilisateur. Et au-delà des vêtements, le milieu de l’aérospatiale pourrait à long terme bénéficier de la trouvaille. Un drone, voire un avion, serait à même de détecter, à l’aide de capteurs légers intégrés à sa structure, des perturbations dans les conditions de vol ou des dommages sur la structure pour prévenir des accidents.

Voilà un « dentifrice » qu’on ne voudra certainement pas remettre dans son tube !

Ont aussi participé à la découverte : Frederick P. Gosselin et Clara Noonan (Polytechnique Montréal).

Les chercheurs ont imprimé le capteur sur un chandail à la hauteur du thorax afin de vérifier s’il était assez sensible pour enregistrer les respirations du porteur. Le test s’est révélé concluant. Photo: Sampada Bodkhe et Hongqiuwe

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