Les muscles artificiels (ou actionneurs de type musculaire), sont des matériaux ou des dispositifs plus ou moins biomimétique (c'est-à-dire imitant le muscle naturel et pouvant modifier leur rigidité, se contracter, se détendre ou tourner de manière réversible au sein d'un même composant sous l'effet d'une stimulation externe telle qu'une tension, un courant, une pression ou une température). Les trois réponses d'actionnement de base peuvent être combinées au sein d'un même composant pour produire d'autres types de mouvements (par exemple, la flexion, en contractant un côté du matériau tout en dilatant l'autre). Les moteurs conventionnels et les actionneurs pneumatiques linéaires ou rotatifs ne sont pas considérés comme des muscles artificiels, car leur actionnement implique plusieurs composants. Dans un proche avenir de tels muscles synthétiques pourraient être connectées par une IA pour être activés avec plus de précision et de souplesse.
Grâce à leur grande flexibilité, leur polyvalence et leur rapport puissance/poids supérieurs à ceux des actionneurs rigides traditionnels, les muscles artificiels présentent un fort potentiel de transformation, notamment pour la robotique molle et la médecine ( sphincters artificiels., dispositifs d'assistance cardiaque et autres « implants dynamiques » ou fibres musculaires synthétiques pouvant remplacer des éléments musculaires animaux et/ou biocompatibles avec des cellules musculaires, par exemple à base d'assemblages supramoleculaires de type (pseudo) polyrotaxane construits comme des colliers de perles microscopiques, thermostimulables., pour notamment la future chirurgie reconstructrice uro‑génitale et pelvienne traitant l'incontinence et/ou les prolapsus pelviens, les muscles du plancher pelvien (avec au milieu des années 2020 quelques essais cliniques déjà en phase 2 montrant un potentiel dans le traitement de l'incontinence) et des pistes concernant la fonction érectile, les prothèses péniennes... via des approches multidisciplinaires associant biomatériaux, régénération vasculaire et musculaire et dispositifs implantables.
Les muscles artificiels sont encore émergents, et donc peu utilisés. Mais ils deviennent plus puissants, plus flexibles et capables de reproduire des mouvements complexes proches de ceux des muscles humains et pourraient trouver de nombreux usages dans l'industrie, la médecine (chirurgie reconstructrice, ventilation artificielleDemoule, A., Carteaux, G., Piquilloud, L., & Beloncle, F. (2025). Ventilation artificielle. Elsevier Health Sciences.), la robotique et bien d'autres domaines.... À échelle microscopique, ils pourraient animer des microrobots ou des nanorobots injectables.
Comparaison avec les muscles naturels Il n'y a pas de théorie générale permettant de faire cette comparaison avec des « critères de performance » similaire. Les technologies musculaires artificielles permettent cependant de spécifier les nouvelles technologies d'actionneurs en les comparant aux propriétés des muscles naturels, sur la base de critères incluant la contrainte, la déformation, la vitesse de déformation, la durée de vie et le module d'élasticité. Certains auteurs ajoutent d'autres critères (Huber , 1997), comme la densité d'actionneurs et la résolution en déformation . En 2014, les fibres musculaires artificielles les plus puissantes existantes offraient une puissance jusqu'à cent fois supérieure à celle de fibres musculaires naturelles de longueur équivalente..
Les chercheurs mesurent la vitesse, la densité énergétique, la puissance et l'efficacité des muscles artificiels ; aucun type de muscle artificiel n'est le meilleur dans tous les domaines.
Types On en distingue généralement trois grands groupes (selon leur mode d'actionnement).
Actionnement par champ électrique Les polymères électroactifs (PEA) sont des polymères qui peuvent être actionnés par l'application de champs électriques. Actuellement, les PEA les plus importants comprennent les polymères piézoélectriques, les actionneurs diélectriques (ADE), les élastomères greffés électrostrictifs, les élastomères à cristaux liquides (ECL) et les polymères ferroélectriques. Bien que ces PEA puissent être fléchis, leur faible capacité de mouvement de couple limite actuellement leur utilisation comme muscles artificiels. Faute de matériau standard reconnu pour la fabrication de dispositifs PEA, leur commercialisation est encore difficile mais des progrès significatifs ont été faits dans ce domaine depuis les années 1990.. Par exemple, des chercheurs sud-coréens, à l'Université d'Ulsan, ont réussi, en associant deux types de réseaux chimiques (un réseau covalent très stable et un réseau physique réversible, capable de se reformer, renforcé par des particules de néodyme-fer-bore (NdFeB) dispersées dans la matrice polymère, et traitées avec du l'octadécyltrichlorosilane liquide, pour améliorer la cohésion du système) à produire, en laboratoire, un muscle artificiel pouvant soulever jusqu'à fois sa propre masse, tout en restant souple et superélastique (il supporte une déformation de 86,4 %, soit plus de deux fois celle d'un muscle humain (40 % environ), avec une densité énergétique atteignant kilojoules par mètre cube, soit environ 30 fois celle d'un muscle naturel), ouvrant la voie à des robots humanoïdes plus réalistes.
Actionnement à base d'ions Les polymères électroactifs ioniques (EAP) sont des polymères qui peuvent être activés par la diffusion d'ions dans une solution électrolytique (en plus de l'application de champs électriques). Parmi les exemples actuels de polymères électroactifs ioniques, on peut citer les gels de polyélectrodes, les composites polymères ionomères-métalliques (IPMC), les polymères conducteurs, les gels de pyromellitamide et les fluides électrorhéologiques (ERF). En 2011, il a été démontré que des nanotubes de carbone torsadés pouvaient aussi être activés par l'application d'un champ électrique..
Actionnement pneumatique Les muscles artificiels pneumatiques (MAP) fonctionnent en remplissant une vessie pneumatique d'air comprimé. Sous l'effet de la pression du gaz, une expansion isotrope du volume se produit, mais elle est contenue par des fils tressés qui entourent la vessie, transformant cette expansion en une contraction linéaire le long de l'axe de l'actionneur. Les MAP peuvent être classés selon leur fonctionnement et leur conception : ils peuvent fonctionner de manière pneumatique ou hydraulique, en surpression ou en dépression, avec des membranes tressées/en filet ou intégrées, et avec des membranes extensibles ou réorganisables. Parmi les MAP les plus couramment utilisés aujourd'hui figure le muscle de McKibben, un muscle cylindrique tressé développé initialement par J.L. McKibben dans les années 1950..
Actionnement thermique
Fil de pêche Des muscles artificiels construits à partir de fil de pêche et de fil à coudre ordinaires peuvent soulever 100 fois plus de poids et générer 100 fois plus de puissance qu'un muscle humain de même longueur et de même poids..
Dans les fibres polymères disponibles dans le commerce, les macromolécules individuelles sont alignées avec la fibre. En les enroulant en spirales, les chercheurs créent des muscles artificiels qui se contractent à des vitesses similaires à celles des muscles humains.
Contrairement à la plupart des matériaux, une fibre polymère non torsadée, comme un fil de pêche en nylon ou du fil à coudre en polyéthylène, se raccourcit sous l'effet de la chaleur – jusqu'à environ 4 % pour une augmentation de température de 250 K. En torsadant la fibre et en l'enroulant en spirale, la chaleur provoque un resserrement de la spirale et un raccourcissement pouvant atteindre 49 %. Des chercheurs ont découvert une autre méthode d'enroulement permettant d'allonger la spirale de 69 % sous l'effet de la chaleur.
L'une des applications des muscles artificiels thermo-activés consiste à ouvrir et fermer automatiquement les fenêtres, en réaction à la température et sans consommer d'énergie.
Actionnement par la lumière Des fibres musculaires synthétiques microscopiques peuvent animer des machines moléculaires bio‑inspirées de types microrobots (ou des nanorobots injectables), dont certains pourraient être contrôlés par la lumière, et capables actions telles que l’actuation ou la reconnaissance de protéines dans des milieux aqueux proches des conditions physiologiques. Des moteurs décorés de sucres dont l’organisation en micelles, filaments, particules ou feuillets permet un contrôle ON/OFF de la reconnaissance biologique sont déjà testés en laboratoires à l'Université de Groningen, ouvrant la voie à de possibles applications futures incluant des robots souples miniaturisés, les revêtements médicaux adaptatifs et les fonctions biomimétiques commandées par la lumière. (laquelle peut aussi présenter un intérêt photovoltaïque).
Nanotubes de carbone De minuscules muscles artificiels composés de nanotubes de carbone torsadés remplis de paraffine sont 200 fois plus forts que les muscles humains.
Alliages à mémoire de forme
Les alliages à mémoire de forme (AMF), les élastomères à cristaux liquides et les alliages métalliques déformables puis indéformables sous l'effet de la chaleur peuvent servir de muscles artificiels. Les muscles artificiels à actionneurs thermiques présentent une résistance à la chaleur et aux chocs, une faible densité, une haute résistance à la fatigue et une forte capacité de génération de force lors des changements de forme. Les élastomères intelligents à cristaux liquides (LCEs, capables de déformations réversibles et anisotropes sous stimulus externe) intéressent la robotique souple, mais aussi l'ingénierie biomédicale et divers dispositifs intelligents ; d'autant que leur fabrication est récemment passée du moulage et des films minces à l'impression 3D puis à l'impression 4D (qui permet des transformations programmables dans le temps, notamment via des techniques comme la photopolymérisation en cuve et le direct ink writing (DIW), une technique d’impression additive qui consistant à extruder une « encre fonctionnelle » pour fabriquer des structures tridimensionnelles ; son association avec l’impression 4D d'élastomères à cristaux liquides (LCEs) permet de programmer des déformations réversibles et anisotropes sous stimulus externe (lumière, chaleur, champ électrique), ouvrant la voie à des actionneurs souples capables de mouvements complexes tels que la flexion, la préhension ou le rampement. Dans le domaine biomédical, elle pourrait aboutir à de nouveaux types de capteurs portables, d’implants personnalisés et de revêtements adaptatifs. Toutefois, en 2025, ces avancées, bien que démontrant la possibilité de nouveaux actionneurs robotiques et implants biomédicaux, n'ont pas encore aplani les défis qui persistent en termes de biocompatibilité, de durabilité et de mise à l'échelle industrielle..
En 2012, une nouvelle classe de muscles artificiels sans électrolyte, activés par champ électrique et appelés « actionneurs à fil torsadé », a été mise au point. Ces muscles reposent sur la dilatation thermique d'un matériau secondaire intégré à la structure conductrice torsadée du muscle.. Il a également été démontré qu'un ruban de dioxyde de vanadium enroulé peut se tordre et se dérouler à une vitesse de torsion maximale de ..
Systèmes de contrôle Les trois types de muscles artificiels présentent des contraintes différentes qui influent qui implique pour chacun un système de commande adapté à leur actionnement.
Cependant, les systèmes de commande sont souvent conçus pour répondre aux spécifications d'une expérience donnée, certaines expériences nécessitant l'utilisation combinée de divers actionneurs ou un schéma de commande hybride.
Les exemples suivants ne constituent donc pas une liste exhaustive des systèmes de commande pouvant être utilisés pour actionner un muscle artificiel donné.
Contrôle des PEA