Fabrication, caractérisation et modélisation de structures intelligentes fonctionnant comme muscles artificiels biomimétiques et fondées sur des polymères électroactifs.

The objective of this thesis is the study of the problem and the realization of an electroactive biomimetic muscle with the optimization of its manufacturing, the modeling of its operation and the characterization of its performances. The artificial muscles are biologically inspired actuators having the flexibility and the adaptability which enables to imitate the biological functions for use in robotics and the energetically effective engineering applications. The Ionic Polymer Metal Composite (IPMC) constitutes a class of actuators with new properties of electromechanical coupling, and enables to convert energy between the chemical, electrical and mechanical fields. We treated in this work the specific case of an IPMC made up of a film of Nafion. The first stage of its manufacturing was to create a roughness on the surface of the membrane of Nafion to allow the deposit of platinum electrodes on both sides of film by electroless plating technique. The existing methods of sandblasting and sandpapering require several repeated cycles of fabrication in order to achieve necessary conductivity of deposited electrodes. In our research it was demonstrated that a plasma etching of Nafion membrane in a cathodic sputtering reactor was more efficient than roughening with preceding methods, allowing minimizing the amount of plating material during metallization with respect to conventional methods and with a shorter fabrication time. Varying the parameters of the plasma treatment, we could obtain electrode resistivities of minimum 1.8 Ohms/square in only one fabrication cycle. This treatment carves out well-connected structures of micro-valleys on Nafion membrane similar to that resulting from a deposit grown under DLA (Diffusion-limited aggregation) conditions.In the work of characterization of IPMC, two new characterization methods were elaborated for obtaining Young’s modulus of cantilever-shaped bending actuators. In the first method the force applied at the tip was zeroed, using pre-measured counter-loads which were dropped at an instant of actuation, in order to measure the instantaneous Young’s moduli. In the second method vibration modal frequency analysis of cantilever was used. Young’s Modulus around 200 MPa was obtained with both methods. These two methods do not require a force sensor. They thus allow the use of a simpler instrumentation in order to obtain this important material property. We characterized the electromechanical coupling for these IPMC samples and also carried out an impedance analysis. We proposed an equivalent electromechanical circuit for the IPMC, where the electromechanical coupling term was introduced into the capacitive term coming from the Nafion/platinum interfaces. The adjustments of the parameters of the equivalent circuit to the experiments provided a Young’s modulus value of megapascal order in agreement with the two above mentioned techniques.The last part of the work concerned the modeling of an anthropomorphic finger with a biological-like actuation and actuated by longitudinal contractile pneumatic (Mc Kibben) muscles, for an application actuated by longitudinal contractile actuator constructed by two antagonistic IPMC actuators. The proposed actuator was modeled by modifying the nonlinear Euler-Bernoulli beam model augmented for eigencurvature proposed by Xiao et. al. for the horizontal force configuration.L'objectif de cette thèse est l'étude de la problématique et de la réalisation d'un muscle biomimétique électroactifs avec l'optimisation de sa fabrication, la modélisation de son fonctionnement et la caractérisation de ses performances. Les muscles artificiels sont des actionneurs biologiquement inspirés ayant la flexibilité et l'adaptabilité qui permettent d'imiter les fonctions biologiques pour l'usage dans la robotique et les applications énergétiquement efficaces d'ingénierie. Les Composés Métal/Polymère Ionique (IPMC) constituent une classe d'actionneurs avec de nouvelles propriétés de couplages électromécaniques, et permettant de convertir l'énergie entre les domaines chimiques, électriques et mécaniques. On a traité dans ce travail le cas spécifique d’un IPMC constitué d’un film de Nafion. La première étape dans sa fabrication a été de créer une rugosité à la surface du gel de Nafion pour permettre le dépôt d'électrodes de platine de part et d’autre du film par une technique de dépôt sans courant. Les méthodes existantes de sablage et de traitement au papier de verre, exigent de répéter cette étape de dépôt afin d’obtenir une conductivité suffisante des électrodes déposées. Il a été montré lors de cette recherche qu'un traitement plasma de la membrane de Nafion dans un réacteur de pulvérisation cathodique était plus efficace que le dépolissage avec les méthodes précédentes, permettant de minimiser la quantité de métal déposé par rapport aux méthodes conventionnelles et avec un temps de fabrication plus court. En faisant varier les paramètres du traitement plasma, nous avons pu obtenir des résistivités d'électrode minimum de 1,8 Ohms/carrée en un seul cycle de fabrication. Ce traitement sculpte des structures bien connectées de micro-vallées sur la membrane de Nafion semblables à celles qui résultent d'un dépôt développé dans des conditions de DLA (Agrégation limitée par diffusion).Pendant les travaux de caractérisation des IPMC, deux nouvelles méthodes d’obtention du module d’Young des actionneurs en flexion sous la forme de poutres encastrées ont été élaborées. Dans la première méthode, la force appliquée au bout de l’actionneur était annulée, en utilisant des contrepoids pré mesurés qui ont été retirés à différents instants lors de l’actionnement, afin de mesurer les modules d'Young instantanés. Dans la deuxième méthode, la fréquence du mode de poutre fondamental de vibration a été utilisée. Un module d’Young autour de 200 MPa a été obtenu avec les deux méthodes. Ces deux méthodes n'exigent pas un capteur de force. Elles permettent ainsi l'utilisation d’une instrumentation plus simple afin d'obtenir cette propriété matérielle importante. Nous avons caractérisé le couplage électromécanique pour ces échantillons d'IPMC et également effectué l’analyse de l'impédance. Nous avons proposé un circuit électromécanique équivalent pour l’IPMC, où le terme de couplage électromécanique a été introduit dans le terme capacitif provenant des interfaces Nafion/platine. Les ajustements des paramètres du circuit équivalent aux expériences ont fourni une valeur de module d’Young de l’ordre du megapascal en accord avec les deux techniques précitées.Le dernier volet du travail a porté sur la modélisation d'un doigt anthropomorphe proche du fonctionnement biologique, et actionné par des muscles pneumatiques contractiles longitudinaux (Mc Kibben), pour une application actionné par structure contractile longitudinale constituée de deux actionneurs IPMC antagonistes. L'actionneur proposé a été modélisé en modifiant le modèle non linéaire de faisceau d'Euler-Bernoulli augmenté pour la courbure propre proposée par Xiao et coll. pour la configuration avec force horizontale