Les muscles sont des actionneurs naturels qui ont perfectionné la conversion de l'énergie chimique en travail mécanique pendant des millions d'années. Dans cet héritage, tout un domaine de la robotique biohybride se développe aujourd'hui : des robots propulsés par des tissus vivants cultivés en laboratoire, combinés à des squelettes artificiels et des mécanismes précis. De tels systèmes ont déjà montré qu'ils peuvent ramper, marcher, nager ou saisir des objets, mais en pratique, ils se heurtent à deux limitations tenaces. Premièrement, les amplitudes de mouvement et les forces générées sont souvent modestes par rapport aux besoins des tâches réelles. Deuxièmement, l'interface entre le tissu musculaire très mou et les parties du squelette beaucoup plus rigides est sujette aux dommages mécaniques et au décollement, ce qui limite la durabilité et la possibilité d'un travail répétable. C'est précisément ce « décalage mécanique » qui a inspiré une équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) à introduire dans le langage polytechnique une stratégie éprouvée issue de la biologie : l'insertion de tendons artificiels entre les muscles et les squelettes pour transmettre la force plus efficacement et rendre l'assemblage plus rapide, plus fort et plus durable.

Une équipe dirigée par une professeure adjointe au département de génie mécanique, Ritu Raman, a développé des tendons artificiels fabriqués à partir d'hydrogels tenaces et adhésifs et les a reliés à un morceau de tissu musculaire cultivé en laboratoire en une unité muscle-tendon unique. Les extrémités des tendons artificiels sont fixées aux doigts d'une petite pince robotique, tandis que le muscle central sert de moteur. Lorsque le muscle est stimulé pour se contracter, les tendons « tirent » les doigts vers l'intérieur et convertissent le raccourcissement microscopique du muscle en une prise macroscopique et fonctionnelle. Quiconque travaille avec des actionneurs connaît le compromis entre la course et la force – ici, ce compromis se déplace de manière étonnamment favorable : par rapport à la même pince où le muscle est directement lié au squelette, sans tendons, la fermeture est environ trois fois plus rapide et la force obtenue environ trente fois plus grande. De plus, le système a montré un rapport puissance/masse environ onze fois meilleur par rapport aux prototypes antérieurs propulsés par un muscle sans tendons et a fonctionné de manière stable pendant plus de 7 000 cycles sans dégradation de la fonction – un chiffre qui entre déjà sur le territoire de l'utilisation pratique.

Pourquoi le tendon change la donne

Dans la biomécanique naturelle, les tendons ne sont pas seulement des « cordes » qui lient le muscle et l'os. Ce sont des éléments élastiques soigneusement réglés qui se situent entre le mou et le dur en termes de rigidité, réduisent les pics de contrainte à l'interface, augmentent la course, stockent et restituent l'énergie élastique et permettent une conversion plus précise et moins dispendieuse de la contraction en travail. En revanche, dans la plupart des robots biohybrides antérieurs, le muscle était tendu comme un « élastique » entre deux points du squelette. Une telle fixation directe consomme du tissu musculaire pour une simple prise et conduit souvent à une déchirure ou un détachement, surtout lorsqu'on essaie d'extraire une plus grande force. Les tendons artificiels introduisent ce que la biologie a déjà résolu : une interface élastique en série contrôlée qui atténue la différence mécanique et permet au muscle de travailler là où il est le plus efficace.

Dans cette solution du MIT, les tendons sont façonnés comme de fines bandes ressemblant à des « câbles » en hydrogel à haute ténacité et forte adhésion. Leur rôle est double. Premièrement, en tant qu'éléments élastiques reliés en série avec le muscle, ils augmentent la course utile des doigts de la pince pour le même changement de longueur du muscle. Deuxièmement, en tant que liaison adhésive vers le squelette de la pince, ils répartissent les contraintes sur une plus grande surface, évitant ainsi les points critiques de concentration de force qui déchireraient autrement le tissu ou décolleraient le joint. En travail réel, cela signifie moins de muscle « gaspillé » et une plus grande possibilité de mouvement précis et répétable.

De la théorie des ressorts à une pince qui fonctionne vraiment

Avant la synthèse des matériaux et l'assemblage, les chercheurs ont idéalisé l'ensemble comme trois ressorts reliés en série : le muscle au milieu, les tendons des deux côtés et les éléments rigides de la pince qui peuvent être représentés dans le modèle comme des ressorts de très grande rigidité. La rigidité connue du muscle et de la construction a servi à calculer analytiquement et numériquement la rigidité optimale du tendon pour le travail souhaité – assez rigide pour transmettre la force, mais assez souple pour permettre la course. Sur la base de ces calculs, la formulation de l'hydrogel et les paramètres de traitement ont été choisis, puis les tendons ont été découpés avec précision en bandes étroites qui sont facilement guidées sur des « poulies » miniatures sur les doigts de la pince. Au centre, un morceau de muscle squelettique cultivé a été placé à l'aide de techniques tissulaires standard ; les interfaces ont été conçues de manière à ce que les tendons « s'assoient » chimiquement et mécaniquement à la fois sur le tissu vivant et sur le squelette synthétique.

Lorsque le muscle est stimulé (électriquement, chimiquement ou optogénétiquement – selon la conception), les tendons transmettent son raccourcissement aux doigts de la pince. La clé réside dans le réglage de la précontrainte des tendons : une petite tension initiale élimine le jeu et linéarise la réponse initiale du système. Dans cette configuration, l'équipe a mesuré des vitesses de fermeture environ 3× plus élevées et des forces environ 30× plus grandes par rapport à la variante sans tendons, et la pince a conservé de telles propriétés à travers >7 000 cycles sans rupture des joints ni perte de course. Parallèlement, l'amélioration du rapport puissance/masse (~11×) a été quantifiée, ce qui signifie qu'il faut moins de tissu musculaire pour le même effet – crucial pour les robots miniatures.

Modularité : un connecteur universel pour différents « squelettes »

Au-delà des chiffres, l'architecture est également importante. Les tendons artificiels fonctionnent comme des modules – des connecteurs interchangeables entre les actionneurs musculaires et différents squelettes robotiques. Une fois qu'un ensemble de paramètres (longueur, rigidité, précontrainte, méthode de prise) est conçu, le même module peut être intégré dans différentes géométries : des micro-pinces pour des interventions peu invasives, en passant par des prises agiles pour la manipulation d'échantillons fragiles, jusqu'aux machines autonomes qui s'adaptent aux terrains imprévisibles. Pour les équipes de développement, cela signifie des itérations plus rapides et une meilleure évolutivité – on ne conçoit pas à chaque fois un nouveau « muscle en forme de dispositif », mais on utilise une unité muscle-tendon standardisée qui se connecte à divers squelettes comme une « brique Lego ».

Hydrogel capable de coller, de s'étirer et de survivre aux cycles

Pour qu'un tendon soit un élément d'ingénierie crédible, il doit être simultanément extensible, solide, tenace (c'est-à-dire résistant à la propagation des fissures) et adhésif. C'est une combinaison de propriétés qui a longtemps été contradictoire dans les hydrogels classiques. Ces dernières années, des formulations d'hydrogels tough (tenaces) et de composites ont été découvertes qui concilient cela : des réseaux polymères avec des mécanismes de dissipation d'énergie, avec une réticulation réglable et des groupes fonctionnels adhésifs. Dans ce travail, c'est précisément un tel hydrogel qui a servi de « câble » adhérant aussi bien au côté biologique qu'au côté ingénierie de l'interface. Le résultat est un tendon qui supporte des milliers de cycles, répartit uniformément les contraintes et permet à une plus grande partie du muscle de faire le travail pour lequel il est optimisé par l'évolution – générer de la force et de la course – au lieu de « jouer » à la colle.

Réglage fin : rigidité et précontrainte

Si le tendon est trop rigide, la course du système se raccourcit et se transforme en un contact « dur » qui surcharge à nouveau l'interface avec le tissu. S'il est trop mou, la force et l'énergie sont perdues, et la pince devient lente et « spongieuse ». C'est pourquoi la modélisation a été cruciale : en choisissant une rigidité qui équilibre ces deux extrêmes et en ajustant la précontrainte, on définit un point de fonctionnement qui maximise le travail utile par cycle. Avec la même philosophie, l'équipe a montré que le transfert de force du muscle au squelette peut être augmenté d'environ 29× lorsque, outre le tendon, la rigidité du squelette lui-même est optimisée. Cela confirme une vérité intuitive, mais souvent négligée en biomécanique : l'actionneur, les éléments élastiques et la structure doivent être conçus ensemble pour que le système soit efficace dans son ensemble.

Contexte plus large : deux courants de progrès parallèles

Ces résultats s'appuient sur deux courants de progrès importants dans la communauté. Le premier est la conception de squelettes flexibles, « à ressort » qui augmentent l'efficacité des actionneurs musculaires en maximisant le travail par contraction grâce à la géométrie et à la répartition de la rigidité. Le second est le développement de muscles artificiels multidirectionnels – des tissus qui peuvent se contracter dans plusieurs directions (par ex. géométries en iris), ce qui ouvre la voie à des mouvements plus complexes et « mous ». Les tendons artificiels sont un connecteur logique entre ces courants : le muscle peut produire des schémas de contraction sophistiqués, le squelette peut y « répondre » élastiquement, et les tendons permettent que cette danse soit mécaniquement durable et énergétiquement utile.

Où pourrions-nous les voir

Microsystèmes médicaux. En chirurgie mini-invasive, une prise douce et contrôlée, une résistance à la fatigue et une miniaturisation exceptionnelle sont requises. Les unités muscle-tendon promettent des pinces et des manipulateurs qui travaillent de manière synchrone avec la physiologie des tissus, et sont en outre potentiellement biocompatibles.

Industrie et laboratoires. Pour la manipulation d'échantillons fragiles, de cellules, d'organoïdes ou de marchandises molles, une combinaison de force fine et de course subtile est appropriée. Les tendons permettent de « brancher » le même module musculaire dans différents outils sans repenser le tissu.

Éclaireurs autonomes. Dans des environnements inaccessibles ou risqués, des propulsions auto-adaptatives et durables sont nécessaires. Le tissu musculaire peut être « entraîné », et les dommages à l'interface sont moindres lorsqu'il existe un tampon élastique – exactement ce que le tendon artificiel offre.

Durabilité et fiabilité

Lors des essais de fatigue, de tels assemblages ont maintenu leurs performances pendant plus de 7 000 cycles. C'est une limite importante : le passage de la démonstration en laboratoire à un dispositif pouvant être intégré dans des processus réels ne commence que lorsque la fiabilité mécanique cesse d'être un goulot d'étranglement. Les tendons en hydrogel ont ici une double contribution – ils conservent l'adhésion pendant le cyclage et déchargent le muscle des contraintes de pointe extrêmes au niveau de la jonction. Cela réduit le risque de dommages tissulaires et prolonge la durée de vie utile de l'ensemble de l'assemblage.

La science des matériaux au service de la biomécanique

Un regard plus large sur la littérature de ces dernières années confirme que le tendon en hydrogel n'est pas une invention isolée, mais fait partie d'une tendance. Des composites à microstructures anisotropes (par ex. avec des nanofibres d'aramide) ont été développés qui égalent, voire surpassent, les tendons naturels en termes de module, de résistance et de ténacité. De tels matériaux montrent qu'il est possible de combiner haute teneur en eau (compatibilité biologique), robustesse mécanique (résistance à la rupture et à la fatigue) et adhésion fonctionnelle (connexion aux tissus vivants et aux surfaces techniques). La contribution du MIT est de ne pas traiter un tel tendon comme un « remplacement en médecine », mais comme un élément mécanique actif en robotique qui peut être conçu mathématiquement et produit en série.

Du laboratoire à la pratique : les défis qui restent

Pour que les unités muscle-tendon trouvent leur chemin vers l'application, plusieurs tâches pratiques restent à résoudre. La standardisation des protocoles de culture de tissu musculaire et de connexion avec les tendons est essentielle pour la reproductibilité entre laboratoires. Des enveloppes protectrices, « semblables à la peau » sont nécessaires pour préserver le tissu du dessèchement et de la contamination, tout en laissant passer les gaz et les nutriments. L'électronique de commande doit apprendre le « langage » des actionneurs biologiques : contrôler la stimulation en boucle fermée, compenser les changements de propriétés au fil du temps et éviter la fatigue. Pour l'industrie, le prix par module sera également important : c'est précisément pourquoi l'approche modulaire – une unité muscle-tendon pour plusieurs squelettes – est rationnelle et économiquement attrayante.

Ce qui suit

La prochaine génération de machines biohybrides combinera probablement des muscles multidirectionnels (qui peuvent se contracter dans plusieurs directions), des squelettes élastiques (qui « amplifient » le travail par la géométrie) et des tendons adaptatifs (qui transfèrent les performances vers le régime souhaité par un réglage fin de la rigidité et de la précontrainte). À l'aide de la fabrication additive (impression 3D de moules et de « tampons » pour la croissance guidée des fibres), de tels systèmes pourront être fabriqués et itérés rapidement. L'« intelligence » de la commande proviendra en outre de l'apprentissage sur les données : des algorithmes optimiseront les schémas de stimulation musculaire pour atteindre une efficacité maximale avec une fatigue minimale.

Pourquoi c'est important maintenant

Nous sommes en 2025 et la robotique molle (soft robotics) sort de plus en plus des démonstrations en laboratoire. À ce moment-là, les solutions combinant force, fiabilité et modularité deviennent clés. Les tendons artificiels basés sur des hydrogels tenaces montrent comment une leçon biomécanique fondamentale peut être traduite en un avantage technique pratique : au lieu de forcer les actionneurs mous à « jouer » aux durs, on construit une interface qui est mécaniquement harmonisée avec les deux côtés. Le résultat est des assemblages qui saisissent plus vite, plus fort et plus longtemps de cycle en cycle – et ce avec moins de muscle.

Un détail important : une partie importante de ces résultats a d'abord été publiée sous forme de prépublication ouverte afin que la communauté puisse vérifier rapidement les résultats et améliorer les méthodes, et parallèlement, des études ont été publiées confirmant que le muscle lui-même peut être façonné pour des mouvements multidirectionnels, et que les squelettes peuvent être conçus comme des « amplificateurs de travail » élastiques. Le dénominateur commun reste le même : au lieu de miniaturiser les moteurs électriques aux limites de la physique, nous apprenons de la biologie comment connecter intelligemment l'actionneur, l'élément élastique et la structure. C'est précisément pour cela que – aux côtés des muscles – les tendons seront de plus en plus au centre de la conception des robots biohybrides.