Un des principaux obstacles à la mise au point d’une peau artificielle reste de parvenir à produire un matériau capable de différencier la pression et la chaleur, ou de distinguer une pression en mouvement d’une sensation plus statique. L’enjeu est la mise au point de nouvelle génération de prothèses robotiques des membres supérieures à retour sensoriel pour les personnes amputées ou de dispositifs de télésuivi médical notamment en cardiologie.
Selon Jonghwa Park et ses collègues de l’institut national des sciences et des technologies d’Ulsan, en Corée du Sud, il existe déjà plusieurs prototypes de peau synthétique susceptibles de faire un tel tri, mais ils impliquent la mobilisation de plusieurs types de capteurs.
Dans un article paru vendredi dans « Science Advance », ils décrivent leur tentative réussie de mise au point d’une peau synthétique capable de percevoir et de distinguer une grande gamme de signaux, à partir d’un capteur unique.
Le poids d’un cheveu suffit
Les chercheurs se sont inspiré des récepteurs présents sur la peau des doigts pour reproduire ses capacités de détection piézoélectrique (c’est-à-dire basé sur l’orientation d’éléments polarisés), pyroélectrique (dans lequel la chaleur modifie l’orientation d’éléments polarisés).
La peau synthétique qu’ils ont mise au point consiste en une succession de couches. La couche extérieure en polymère est parcourue de microsillons dont la déformation renseigne sur la structure. Viennent ensuite deux couches chargées positivement et négativement. Plus la pression sur la peau est importante, meilleure est la conduction électrique entre les deux épaisseurs et plus le signal est intense. Les hauteurs affirment que leur peau synthétique est capable de percevoir le contact d’un cheveu. Les faces intérieures des deux couches polarisées sont en outre couvertes de dômes qui s’écrasent avec l’augmentation de la température. Le contact avec une source de chaleur modifie également la conduction électrique de l’ensemble.
Cette peau de synthèse est donc capable de faire la distinction entre diverses textures, et entre des pressions statiques et dynamiques. Appliquée sur le poignet d’un cobaye, la peau artificielle parvenait à détecter les différences de pression et de température provoquées par le pouls. Selon les auteurs, ce dernier résultat indiquerait que cette structure ferroélectrique pourrait être utilisée comme un outil de diagnostic.
Communiquer avec le système nerveux
De nombreuses autres équipes sont sur la brèche. Le 16 octobre dernier, une équipe d’ingénieurs de l’université américaine de Stanford a décrit dans « Science » leur propre prototype. Il s’agit d’une peau synthétique flexible à même de mesurer finement les différences de pression qui lui sont imposées. « C’est la première fois qu’un matériau présente les mêmes caractéristiques d’élasticité et de flexibilité que la peau naturelle tout en étant capable de faire la différence entre une poignée de main ferme ou molle », affirme le Pr Zhenan Bao qui dirige les travaux de l’équipe de Stanford. Leur peau synthétique est également en mesure d’émettre une information directement exploitable par le système nerveux. Cette prothèse de peau consiste en deux couches de plastique : la couche extérieure fait office de capteur quand la deuxième est chargée de traiter et traduire le signal.
L’intensité de la pression est mesurée grâce à la mesure de l’amplitude de la déformation de la structure moléculaire de la couche supérieure. Ce matériau est en effet truffé de nanotubes de carbone. Plus la couche supérieure se déforme et plus les tubes entrent en contact les uns avec les autres et conduisent l’électricité.
Le traitement de l’information est réalisé grâce à l’optogénétique : des cellules nerveuses modifiées pour émettre des trains de potentiels d’action lorsqu’elles sont soumises à un signal lumineux. Les chercheurs restent mesurés et rappellent que sur les six types de sensations perçues par la peau humaine, leur prototype ne parvient à en détecter correctement qu’une seule. La fusion de leurs travaux avec ceux de l’équipe Sud-coréenne pourrait aboutir à la première peau synthétique à même de détecter et traduire une large variété de sensations.
Benjamin C-K Tee, « A skin-inspired organic digital mechanoreceptor », Science du 16 octobre 2015
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