Les scientifiques s’inspirent du catchweed pour créer du velcro biodégradable

Il y a rarement le temps d’écrire sur toutes les histoires scientifiques intéressantes qui se présentent à nous. Cette année, nous présentons à nouveau une série spéciale de publications sur les Douze jours de Noël, mettant en lumière une histoire qui est tombée entre les mailles du filet chaque jour, du 25 décembre au 5 janvier. Aujourd’hui : le velcro biodégradable s’inspire de la nature pour redonner à la nature.

Le velcro est une fermeture auto-agrippante ingénieuse inspirée de la nature, en particulier des coques. Maintenant, les scientifiques de l’Institut italien de technologie rendent la pareille. Ils ont créé le premier velcro biodégradable, inspiré des plantes grimpantes, et l’ont utilisé pour fabriquer de petits appareils permettant de surveiller la santé des plantes cultivées et de fournir des pesticides et des médicaments selon les besoins, selon un article de novembre publié dans la revue Communications Materials.

Le créateur de Velcro était un ingénieur suisse nommé George de Mestral, qui combinait son amour de l’invention avec une passion pour les grands espaces. Après avoir terminé ses études, il a pris un emploi dans l’atelier d’usinage d’une société d’ingénierie suisse. En 1948, de Mestral a pris un congé de deux semaines de son travail pour aller à la chasse au gibier à plumes. Lors d’une randonnée avec son pointeur irlandais dans les montagnes du Jura, il a été en proie à des coquerelles (graines de bardane), qui s’accrochaient sans relâche à la fois à ses vêtements et à la fourrure de son chien.

Il était si difficile de démêler les cosses de graines tenaces que de Mestral est devenu intrigué par la façon dont elles étaient construites et en a examiné quelques-unes au microscope. Il a remarqué que l’extérieur de chaque bavure était recouvert de centaines de petits crochets qui s’agrippaient à des boucles de fil ou, dans le cas du chien, à de la fourrure. Et cela lui a donné une idée pour une attache similaire faite par l’homme.

La plupart des experts en tissus et étoffes avec lesquels il s’est entretenu à Lyon, en France, alors le centre mondial de l’industrie du tissage, étaient sceptiques quant à la réussite de l’idée. Mais un tisserand partageait l’amour de l’invention de Mestral. Travaillant à la main sur un petit métier à tisser, il réussit à tisser deux bandes de coton qui s’attachent aussi fermement que les coquelets. De Mestral a appelé l’invention Velcro, des mots français VELours (« velours ») et CROchet (« crochet »). Le nom de la marque a été officiellement enregistré le 13 mai 1958. À ce moment-là, de Mestral avait quitté son emploi avec la firme d’ingénierie et obtenu un prêt de 150 000 $ pour perfectionner le concept et fonder sa propre entreprise pour fabriquer ses nouvelles attaches auto-agrippantes.

Officiellement introduit en 1960, le Velcro n’a pas été un succès immédiat, bien que la NASA l’ait trouvé utile pour faire entrer et sortir les astronautes des combinaisons spatiales encombrantes. Finalement, les fabricants de vêtements pour enfants et de vêtements de sport ont réalisé les possibilités, et l’entreprise a rapidement vendu plus de 60 millions de mètres de Velcro par an, faisant de de Mestral un multimillionnaire. Il est décédé en 1990 et a été intronisé au National Inventors Hall of Fame neuf ans plus tard.

Habituellement fabriqué en nylon, le velcro est utilisé dans les baskets, les sacs à dos, les portefeuilles, les vestes, les bracelets de montre, les brassards de tensiomètre et les jouets comme les jeux de fléchettes sans danger pour les enfants. Il a même aidé à maintenir un cœur humain ensemble lors de la première transplantation cardiaque artificielle. Le « collage » vient de sa structure : examinez les deux bandes d’une fermeture velcro au microscope, et vous verrez qu’une bande contient des boucles microscopiques, tandis que l’autre a de minuscules crochets qui s’accrochent aux boucles pour s’attacher solidement.

La co-auteur Isabella Fiorello et ses collègues étaient intéressés par le développement de nouvelles technologies innovantes pour la surveillance des plantes in situ pour détecter les maladies, ainsi que pour fournir diverses substances aux plantes. Cependant, peu de dispositifs de ce type peuvent être fixés directement sur les feuilles des plantes sans les endommager. Les meilleures options actuelles sont les capteurs fixés avec des colles chimiques ou avec des clips. Il existe également des plaques à base de micro-aiguilles en cours de développement capables de pénétrer dans les feuilles pour la détection de maladies.

Fiorello et al. a trouvé l’inspiration dans la plante commune de catweed (Galium aparine). Il peut former des tapis denses et enchevêtrés sur le sol, et bien que les plantes puissent atteindre jusqu’à six pieds, elles ne peuvent pas se tenir debout toutes seules et doivent plutôt utiliser d’autres plantes pour se soutenir. À cette fin, les plantes de catweed s’appuient sur un « mécanisme d’ancrage parasite unique en forme de cliquet pour grimper sur les plantes hôtes, en utilisant des crochets microscopiques pour un verrouillage mécanique des feuilles », ont écrit les auteurs.

L’équipe italienne a étudié de près cette structure de micro-crochets, puis a utilisé une imprimante 3D haute résolution pour créer des versions artificielles, en utilisant divers matériaux, notamment des matériaux photosensibles et biodégradables fabriqués à partir d’une substance semblable au sucre connue sous le nom d’isomalt. Leurs reproductions artificielles se sont avérées tout à fait capables de s’attacher à de nombreuses espèces végétales différentes, tout comme leurs homologues naturelles.

Dans une première application, l’équipe a conçu un dispositif capable de pénétrer dans la cuticule d’une plante avec un minimum d’invasion, permettant ainsi de surveiller et de traiter la plante, si nécessaire. Les microcrochets de l’isomalt se fixent au système vasculaire des feuilles et se dissolvent ensuite à l’intérieur, car l’isomalt est soluble.

Fiorello et alLes expériences de . ont démontré que leurs micro-crochets artificiels peuvent être utilisés comme pansement pour une libération ciblée et contrôlée de pesticides, de bactéricides ou de produits pharmaceutiques sur les feuilles. Cela réduirait considérablement la nécessité d’une large application de pesticides. Et comme le plâtre se dissout une fois appliqué, il n’y a pas de déchets supplémentaires.

L’équipe a également imprimé des crochets fabriqués à partir d’une résine photosensible et les a assemblés avec des capteurs de lumière, de température et d’humidité pour créer des clips intelligents permettant une surveillance sans fil de la santé de la plante. Les clips s’attachent aux feuilles individuelles, transmettant les données sans fil grâce à un logiciel informatique personnalisé.

Le prototype s’est avéré résistant aux conditions venteuses et était capable d’effectuer des mesures en temps réel jusqu’à 50 jours. Les appareils pourraient être utilisés pour des applications botaniques à petite échelle, ou ils pourraient être étendus. Par exemple, les agriculteurs pourraient distribuer de nombreux appareils de ce type pour mieux cartographier et surveiller de vastes zones de culture, selon les auteurs.

Enfin, Fiorello et al. a développé un système micro-robotique capable de se déplacer sur la surface des feuilles à l’aide de micro-pas, copiant le mouvement semblable à un cliquet de la plante du catweed. Des mécanismes d’actionnement similaires ont déjà été démontrés dans le SpinyBot de l’Université de Stanford, capable de mettre à l’échelle des surfaces dures et planes grâce à des rangées d’épines miniatures sur ses pieds, et les robots CLASH de l’Université de Californie à Berkeley, qui sont capables de grimper sur des surfaces de tissu suspendues lâches, comme des rideaux.

Le microrobot IIC repose sur un actionneur multiphasique fluidique souple, piloté à distance par le cycle marche-arrêt d’un laser proche infrarouge. « Au meilleur de notre connaissance, il s’agit de la première machine d’inspiration végétale de preuve de concept capable d’un ancrage réversible dynamique de type cliquet sur une feuille », ont écrit les auteurs, bien que leur robot doux soit purement à des fins de démonstration. De nombreux obstacles doivent être surmontés pour garantir que de tels dispositifs puissent fonctionner dans des environnements naturels, tels que les manœuvres à travers une végétation dense dans des conditions météorologiques variables.

«Nos études commencent toujours par l’observation de la nature, cherchant à reproduire les stratégies employées par les créatures vivantes grâce à des technologies robotiques à faible impact environnemental», a déclaré Barbara Mazzolai, directrice associée de la robotique à l’IIT, qui dirige le laboratoire IIT Bioinspired Soft Robotics. « Avec ce dernier projet de recherche, nous avons encore démontré qu’il est possible de créer des solutions innovantes qui ont non seulement pour objectif de surveiller la santé de notre planète, en particulier des plantes, mais de le faire sans l’altérer. »

DOI : Documents de communication, 2021. 10.1038/s43246-021-00208-0 (À propos des DOI).