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L'art de manipuler les objets submillimétriques grâce à la microrobotique

L'art de manipuler les objets submillimétriques grâce à la microrobotique

Micromanipulateur à sept degrés de liberté développé par Femto-ST.

Une grande variété de méthodes ont été développées afin de manipuler des objets de taille micrométriques, impliquant la prise en compte des effets surfaciques, devenus dominants. Pour aller vers le micro-assemblage, d’autres approches sont nécessaires. Jean-Antoine Seon, docteur de l'Université Bourgogne-Franche-Comté nous présente ces technologies dans ce cahier technique.

Le micromonde regroupe les objets dotés d’une taille comprise entre un micromètre et un millimètre. Cet ensemble, qui s’étale sur trois ordres de grandeur, est sensiblement différent du monde dans lequel nous évoluons. Bien que les lois physiques qui gouvernent ces deux mondes soient identiques, les comportements observés diffèrent radicalement. Par exemple, à l’échelle macrométrique, lorsqu’un objet est lâché, il va inévitablement tomber au sol. À l’inverse, à l’échelle micrométrique, l’objet peut rester en contact avec le préhenseur. Ce changement de comportement est dû aux effets d’échelle. Pour l’illustrer, il est intéressant d’observer l’évolution de la surface et du volume d’une sphère en fonction de son rayon. Si la sphère dispose d’un rayon de 1 m, alors sa surface est de 12,56 m2 et son volume de 4,18 m3. Lorsque son rayon est réduit à 1 mm, alors son volume est un milliard de fois plus petit, tandis que sa surface est « seulement » un million de fois plus petite. Or, quelle que soit l’échelle, il existe des phénomènes liés aux surfaces et des phénomènes liés aux volumes. La dimension de l’objet va donc influer sur les phénomènes qui seront prépondérants. À l’échelle macrométrique, ce sont les effets volumiques qui prédominent et c’est pourquoi l’objet tombe du fait de la gravité lorsqu’il est lâché. À l’échelle micrométrique, les effets surfaciques deviennent non négligeables. Le micromonde se situe ainsi à l’intersection des zones d’influence des forces surfaciques et volumiques et l’on constate différents comportements.

1. fondamentaux

Composer avec les effets surfaciques

Lorsque les effets surfaciques sont prédominants, deux phénomènes deviennent visibles. Premièrement, le poids et l’inertie de l’objet sont négligeables, ce qui permet de concevoir des manipulateurs dotés d’une très grande dynamique. Deuxièmement, les effets surfaciques génèrent des effets d’adhésion entre les différents objets, qui vont « coller » entre eux. Ces effets d’adhésion sont majoritairement engendrés par trois familles de forces :

• Les forces de van der Waals : elles sont issues des interactions électriques de faibles intensités entre les molécules des différents objets ;

• Les forces de capillarité : elles résultent de la présence d’un film liquide à la surface des objets ;

• Les forces électrostatiques : elles sont générées par des particules chargées à la surface des objets.

Ces phénomènes changent le paradigme de la manipulation et, avec lui, les manipulateurs et les manières de manipuler. Les phénomènes d’adhésion entre l’objet et le préhenseur peuvent représenter un avantage puisqu’il est alors possible de tenir un objet à l’aide d’un seul doigt. Mais ils peuvent aussi être vus comme un inconvénient, car relâcher l’objet en desserrant simplement la prise n’est plus possible. Pour pouvoir réaliser des opérations de micromanipulation, il est donc nécessaire de répondre aux questions suivantes :

• Comment faire pour saisir l’objet sachant qu’il existe des effets d’adhésion entre l’objet et le support ?

• Comment manipuler l’objet sachant qu’il existe des effets d’adhésion entre les doigts et l’objet, et que l’inertie est négligeable ?

• Comment déposer-assembler un objet sachant qu’il existe des effets d’adhésion entre le préhenseur et l’objet ?

Comme ces problématiques n’existent pas à l’échelle macrométrique, il est nécessaire de mettre au point des techniques de manipulation, spécifiquement adaptées au micromonde et à la micromanipulation, différentes des solutions proposées à l’échelle macroscopique.

2. sans contact

Pour un lâcher facilité

Les effets d’adhésion sont souvent considérés comme une force perturbatrice, en particulier lors des phases de lâcher. Or cette phase est considérée par une majorité de la communauté microroboticienne comme l’étape la plus importante de la micromanipulation. De ce fait, l’adhésion est perçue comme un phénomène qui doit être surmonté. Partant de ce postulat, de nombreux travaux ont cherché à manipuler l’objet sans le toucher pour, justement, supprimer la problématique du lâcher. Cette approche de la micromanipulation peut être réalisée selon différentes méthodes : manipulation magnétique, manipulation électrique, manipulation optique ou encore manipulation acoustique.

 

Manipulation magnétique. Cette stratégie de manipulation repose sur l’utilisation d’un champ magnétique généré à l’aide d’aimants, d’électro-aimants. L’effort magnétique ainsi appliqué par le champ va permettre de déplacer l’objet dans l’espace de travail des aimants. Cette approche peut être employée aussi bien en milieu ambiant que liquide, et permet d’exercer des efforts allant jusqu’au micronewton.La manipulation magnétique permet de contrôler les déplacements d’un objet avec précision et vitesse. Il est à noter que les microrobots les plus rapides sont déplacés à l’aide de ce mode d’actionnement. Certains travaux ambitieux imaginent se servir de ce type de manipulation pour contrôler de multiples microrobots directement dans le corps humain à des fins thérapeutiques, pour la livraison ciblée de médicaments par exemple. Toutefois, cette stratégie n’est applicable qu’à des objets sensibles aux champs magnétiques.

Manipulation électrique. De manière similaire à la manipulation par champ magnétique, il est possible de manipuler des objets à l’aide de champs électriques. Suivant le type de signaux électriques, on parle d’électrophorèse ou de diélectrophorèse. Cette méthode est principalement utilisée lors de la manipulation d’objets biologiques. Tous les objets étant soit conducteurs, soit diélectriques, elle peut être employée pour manipuler n’importe quel type d’objets. Elle présente néanmoins un inconvénient : les forces exercées sont plus faibles (typiquement de l’ordre du nanonewton) que dans le cas de la manipulation magnétique.

Manipulation optique. Une autre manière de manipuler sans toucher l’objet consiste à utiliser des faisceaux optiques. En effet, la pression lumineuse exercée par un faisceau lumineux focalisé permet de piéger l’objet et ainsi de le manipuler. Les premiers travaux réalisés en ce sens consistaient à manipuler des particules comprises entre 25 nm et 10 µm à l’aide d’un seul faisceau. Par la suite, de nombreux travaux se sont intéressés à cette technique de manipulation en utilisant plusieurs faisceaux ou pour manipuler plusieurs objets simultanément. L’utilisation de plusieurs faisceaux permet de reproduire un système de manipulation avec contact sans toutefois subir les inconvénients liés à l’adhésion. C’est pourquoi le terme de « pince optique » est couramment utilisé pour qualifier cette méthode. En revanche, cette approche ne permet pas d’exercer des forces très importantes puisque, au mieux, elles ne dépassent pas quelques nanonewtons. La manipulation optique est donc particulièrement adaptée à la manipulation de cellules ou de très petites particules, mais est inapplicable pour des tâches de micro-assemblage.

Manipulation acoustique. Elle consiste à exploiter les forces acoustiques. En effet, à l’aide d’ondes acoustiques, il est possible d’appliquer des forces sur l’objet pour le faire léviter et ainsi le manipuler. Deux configurations sont possibles dans le cas de la manipulation acoustique : la manipulation par onde stationnaire et la manipulation par champ proche. Dans le premier cas, la manipulation se fait grâce à une onde stationnaire générée entre une source et un réflecteur. Cette onde permet, à certaines[…]

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