Flexion et extension

Les composants électroniques qui se plient et changent de forme élargissent le champ d’application de la technologie

Michele Witthaus and Lindsay James
30 December 2017

7 minutes

Les progrès réalisés dans les matériaux et les technologies d’impression 3D ont permis de fabriquer des composants électroniques capables de remuer, de s’étirer et de se tordre. Cela permet aux chercheurs d’innover et de créer des produits capables de transformer le quotidien.

Imaginez qu’un jour un médecin, alerté par l’évolution des signes vitaux d’un de ses patients, puisse l’appeler et faire un pronostic avant même que ce dernier ne réalise qu’il est malade. Ou qu’un consommateur n’ait plus jamais à craindre que l’écran de son smartphone ne se fissure s’il le laisse tomber ? Ou qu’un diabétique dispose d’un moniteur interne, fonctionnant avec ses acides gastriques, qui détecte quand il mange ?

Ces scénarios peuvent sembler peu réalistes, mais, grâce à des avancées dans l’électronique extensible et flexible, ils sont de plus en plus plausibles.

« Les progrès récents en sciences des matériaux et en génie mécanique ont permis de réaliser des systèmes électroniques hautement performants dans des formats souples, flexibles et extensibles », explique Canan Dagdeviren, spécialiste des matériaux, directeur du groupe de recherche Conformable Decoders du Media Lab du MIT à Cambridge, Massachusetts.

Comme beaucoup d’appareils compatibles avec l’IoT qui gagnent aujourd’hui en popularité, ces nouvelles solutions électroniques flexibles et extensibles sont très abordables et peuvent être gérées à l’aide d’applications de smartphone. Les entreprises suivent cela de près. En fait, selon un rapport publié en 2016 par Grand View Research, le marché mondial de l’électronique flexible devrait dépasser les 75 millions d’euros à l’horizon 2024.

75 millionS d'EUROS

Selon un rapport publié en 2016 par Grand View Research, le marché mondial de l’électronique flexible devrait dépasser les 75 millions d’euros à l’horizon 2024.

 

DES ÉCRANS INCASSABLES

Roel Vertegaal, directeur du Human Media Laboratory de l’Université Queen’s du Canada, estime que l’électronique flexible et extensible contribuera à façonner les écrans du futur. Son équipe travaille sur une série d’innovations, dont un smartphone flexible pleine couleur, à haute résolution et sans-fil ; un smartphone holographique flexible capable de rendre des images 3D sans suivi de la tête et sans masque ; et une télécommande de jeu dotée d’une interface utilisateur cylindrique.

« Les écrans flexibles offrent de multiples avantages », souligne Roel Vertegaal. « Ils sont plus légers et moins chers que les composants électroniques classiques et aussi plus simples d’emploi car ils permettent des interactions dans la troisième dimension par pliage. Et en plus, ils sont pratiquement indestructibles. Un écran fissuré pourrait bientôt appartenir au passé. »

FLEXION CORPORELLE

Les applications à l’homme de l’électronique flexible prennent déjà forme.

« Tout en conservant les propriétés de l’électronique classique, il est possible de donner à l’électronique extensible et flexible n’importe quelle forme curviligne pour l’ajuster au corps humain », précise Yonggang Huang, professeur d’ingénierie mécanique et d’ingénierie civile et environnementale à la Northwestern University d’Evanston, dans l’Illinois.

Yonggang Huang a collaboré avec le chimiste physicien et spécialiste des matériaux John Rogers à l’Université de l’Illinois, ainsi qu’avec la société d’accessoires portables MC10 basée dans le Massachusetts, dans le but de mettre au point un appareil électronique extensible pour le géant du soin de la peau L’Oréal dans l’incubateur technologique de l’entreprise, implantée dans le New Jersey. L’appareil, qui est appliqué à même la peau et associé à une application via communication en champ proche (NFC), contient des colorants photosensibles qui changent de couleur lorsqu’ils sont exposés aux rayons UV. L’Oréal a déclaré que 60 % des personnes qui utilisent l’application attrapent moins de coups de soleil et que 30 % utilisent davantage de crème solaire.

En parallèle, MC10 s'est associée à la société biopharmaceutique belge UCB pour étudier la possibilité d'appliquer des capteurs de recueil de données sur la peau pour surveiller la maladie de Parkinson, dans l'objectif « d'améliorer la compréhension du vécu des patients et de faire progresser les connaissances pour améliorer la gestion des maladies neurologiques et offrir aux patients un meilleur contrôle et de meilleurs résultats thérapeutiques », explique Erik Janssen, vice-président des nouvelles solutions mondiales pour les patients en neurologie chez UCB.

LA VOIE DE LA VIABILITÉ COMMERCIALE

Malgré ces succès, le véritable potentiel de l’électronique flexible et extensible n’a pas encore été réalisé. James Hayward, analyste senior en technologie au sein du cabinet d’études de marché IDTechEx, dont le siège est à Cambridge, au Royaume-Uni, explique que bien que certains composants de ce type aient franchi le stade de la validation de concept, beaucoup d’autres ne sont pas encore assez matures.

« Plusieurs types de composants électroniques extensibles et ajustables sont aujourd’hui commercialement viables, mais s’ils restent isolés dans des niches distinctes, il n’y aura ni croissance ni expansion sur le plan commercial », indique-t-il.

Takao Someya, professeur au département de génie électrique et électronique de l’Université de Tokyo, estime quant à lui qu’il faut aller plus loin dans l’élasticité.

Un nouveau capteur piézoélectrique mesure 2 x 2,5 centimètres et peut être enroulé et avalé. (Image © Chercheurs du MIT)

« La plupart des innovations extensibles aujourd’hui disponibles ont encore une certaine rigidité », ajoute-t-il. « En effet, la plupart du temps, elles ne peuvent fonctionner sans batterie rechargeable ou un fil quelconque et, parce qu’elles contiennent de nombreux composants, elles sont souvent enfermées dans une enveloppe en silicium rigide. Il est difficile de créer une solution qui soit à la fois résistante et souple. »

Canan Dagdeviren, du Media Lab du MIT est du même avis. « L'électronique d'aujourd'hui est jusqu'à six fois plus rigide que les tissus mous, signale-t-elle. Par conséquent, dès lors que nous voulons intégrer de l'électronique dans la biologie, nous sommes face à de sérieux problèmes liés à l'inadéquation des formes mécaniques et géométriques ».

UNE SOLUTION IMPRIMÉE

Heng Pan, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à l’Université de sciences et de technologie du Missouri, est persuadé que la réponse réside dans l’impression 3D.

« La fabrication additive a pour avantage de pouvoir facilement passer d’un matériau à l’autre et d’intégrer tous les matériaux dans une même impression », précise Heng Pan dans une interview accordée à R&D Magazine. « Vous pouvez imprimer n’importe quel matériau en géométrie 3D. Nous croyons que la technique additive a de solides atouts dans le domaine de la création de composants électroniques. »

Raytheon Integrated Defense Systems, basé à Tewksbury, Massachusetts, par exemple, a mis en place l’Institut de recherche Raytheon-UMass Lowell (RURI) dans le but d'accélérer le développement de produits électroniques imprimés souples pour le Département de la Défense des États-Unis. Il ambitionne de créer des dispositifs pliables et extensibles à appliquer aux appareils médicaux, tentes, sacs à dos, véhicules et pour la surveillance sans fil des bâtiments.

« Raytheon s'engage avec des partenaires de l'industrie, du gouvernement et du monde universitaire pour instaurer l'utilisation de matériaux et de procédés pour les structures de radiofréquence imprimées, indique Mary Herndon, ingénieure principale senior chez Raytheon. Dans les plates-formes dont la taille ou le poids sont limités, le recours à une électronique souple et conforme promet une meilleure intégration et des assemblages plus compacts ».

DES SOLUTIONS SOLAIRES INTELLIGENTES

La société brésilienne Sunew fait appel à des techniques d’impression 3D pour créer un panneau solaire flexible qui pourrait être utilisé dans des bâtiments, des villes et des véhicules intelligents. La technologie photovoltaïque organique (OPV) de Sunew offre une excellente tolérance aux vibrations, aussi les véhicules sont-ils considérés comme un environnement d’application particulièrement prometteur.

« Maintenant que nous disposons de semi-conducteurs liquides, le processus de production se résume à de l’impression », souligne Tiago Alves, CEO de Sunew. « C’est un procédé continu à basse température au coût marginal nul. Des investissements substantiels sont nécessaires pour atteindre un niveau de production industriel mais après, l’efficacité est là. »

La technologie photovoltaïque organique (OPV) de Sunew est supérieure aux méthodes traditionnelles de production photovoltaïque. « Offrant un rendement environ 20 fois supérieur à celui des technologies traditionnelles et un retour sur investissement de deux mois au lieu de deux ans, les panneaux sont également 50 à 100 fois plus légers que les panneaux solaires classiques », affirme Tiago Alves.

UN AVENIR DANS LA FLEXIBILITÉ ?

L'électronique flexible a également des implications dans l'avenir des semi-conducteurs ingérables et biodégradables. Les chercheurs du MIT, par exemple, ont fait équipe avec le Brigham and Women's Hospital (BWH) de Boston pour développer des équipements flexibles capables de détecter les mouvements et l'ingestion dans l'estomac. Ces dispositifs peuvent rester dans l'estomac pendant au moins deux jours, percevoir l'ingestion d'un repas et recueillir l'énergie des mouvements du tractus gastro-intestinal, une énergie qui pourrait être utilisée pour alimenter de nouveaux systèmes électroniques ingérables.

« De la même manière qu’un accessoire de type FitBit permet de suivre et compter le nombre de pas de son utilisateur, nous envisageons un appareil implanté dans l’estomac et compter le nombre de repas pris par une personne », précise Carlo Traverso, gastroentérologue et ingénieur biomédical au BWH. On pourrait ainsi imaginer une application de surveillance des patients diabétiques.

Des experts travaillent sur des innovations similaires à la Harvard Business School de Boston.

« Nous entrevoyons des avancées significatives dans le domaine de l'électronique flexible ingérable, déclare Giovanni Traverso, professeur de médecine à la Harvard Medical School. Dans le tractus gastro-intestinal, on pourrait utiliser l'électronique flexible pour détecter les mouvements et donc surveiller et identifier les difficultés stomacales des patients souffrant de diabète. Ce type de système pourrait également être appliqué pour surveiller les défauts d'ingestion ».

Takao Someya de l’Université de Tokyo estime que ces applications ne sont que les prémices de ce que l’électronique flexible pourrait permettre de réaliser dans les années à venir.

« À moyen terme, je pense que les personnes atteintes de maladies chroniques pourraient utiliser ce type de capteur pour surveiller des informations vitales telles que la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire, la tension artérielle, la température et les niveaux d’oxygénation », ajoute Takao Someya. « Mais plus tard, il est possible que nous portions tous l’un de ces appareils. Les maladies potentielles pourraient alors être repérées avant même que nous en soyons conscients. Cela pourrait révolutionner la façon de dispenser des soins dans le monde. »

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