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Nanorobotics of the future: FEMTO-ST enters the 4th dimension

For the first time, nanorobotic structures have been realized by folding in 3 dimensions a multilayer membrane and proposing their actuation by an electro-thermo mechanical principle.

Published in "Advanced Materials", this work is in line with the latest innovations of FEMTO-ST, and more particularly of the members of the CMNR - Centre de Micro et Nano Robotique - which has just been created and in which we find the µRobotex platform, initially labelled in the framework of the PIA I and which became TIRREX, in January 2021, in the framework of the PIA III.

 This article is based on the innovations tha led to the fabrication of a micro-house by origami in 3 dimensions from a silica membrane as welle as the  world record of the smallest volume character ever animated in stop motion.

In this new experiment, the challenge goes far beyond the origami folding of the micro-house, since the work allows to realize for the first time nanorobotic structures (in the article, a clamp is used as a demonstrator) of dimensions smaller than 100 µm by folding in 3 dimensions a multilayer membrane. The actuation of these 3D structures is performed by an electro-thermo-mechanical principle which leads to what is called, in this microtechnical context, "the 4th dimension", i.e. the actuation in addition to the fabrication of a 3D structure. The challenge successfully achieved is significant: not only is it difficult to bend the multilayer structure by focused ion bombardment, mostly composed of silica, at 90° but also to integrate the actuation of the fingers of a new microgripper by innovative bending at this scale.

One of the scientific contributions of the work published in this article lies in the detailed understanding of the physical phenomena occurring during bidirectional folding assisted by focused ion bombardment (FIB). This is the result of intense collaborations useful for the multiphysical modeling of phenomena specific to multidisciplinary work such as nanorobotics and has led to the proposed technology being reproducible, mastered and applicable to many other problems than robotics.

All the work has been done at FEMTO-ST, by researchers of the AS2M department, from design to functional tests, including modeling and of course manufacturing. The fabrication steps of the silica membranes and the aluminium electrode deposits according to predefined patterns have been realized in the FEMTO-ST MIMENTO plant from masks designed in-house. The ion beam machining leading to the 3D and 4D structures was performed on the µRobotex platform. All the steps of functional tests, visualization of finger deformations and measurements of amplitudes and aperture accuracies were also performed on the µRobotex platform.

This work responds to a growing need for systems that allow gripping on small scales, because in the race to miniaturize systems and components, it is essential to have high-performance, perfectly controllable, precise, reproducible and robust gripping means over time. This type of gripper has been created to allow the manipulation of isolated molecules (10 to 50 nm), viruses (20 to 200 nm), nanotubes (25 to 150 nm), bacteria (1 to 10 µm), globules (1 to 3 µm), micro and nano components of electrical and optical circuits The application example described in the paper is a gripper used to move a stretched optical fiber with a diameter of 6 to 8 µm.

To push the limits of this research result, it would now be interesting to integrate a means of measuring the forces applied to the manipulated objects. This information would allow to increase the dexterity of manipulation and to extend the range of grasped objects by having the possibility to grasp soft materials without damaging them. For specific applications, it would also be possible to functionalize the fingertips of the microgrips in order to selectively pick up certain objects in certain solutions.

https://doi.org/10.1002/adma.202103371

Acknowledgements :

This work was made possible thanks to the involvement of many staff members of the FEMTO-ST institute, its supervisory bodies (CNRS, UBFC, UFC, ENSMM), its technology centers (MIMENTO, Rénatech network and Robotex/Tirrex) and the financial support of the Burgundy Franche-Comté region as well as the French National Research Agency, in particular via the EUR Eiphi project "Nanofolding".

  • Publication dans Nature Communications

    Novembre 2014 :

    parution de l'article

    « Protrusion force microscopy reveals oscillatory force generation and mechanosensing activity of human macrophage podosomes »

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  • On a marché sur les braises !

    Un dimanche presque comme les autres à la Fabrikà sciences. Dimanche 14 décembre 2014, John Dudley (chercheur à l'Institut FEMTO-ST) proposait au public de marcher sur les braises.

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  • Paper prize at the international conference VPPC 2014

    At the International IEEE "Vehicle Power and Propulsion Conference" conference held in Coimbra, Portugal from 27 to 30 October 2014, “Hybrid & Fuel Cell Systems” Research Team of Femto-ST Institute won the Paper Prize for the paper titled “Energy management of an hybrid electrical vehicule in degraded operation”

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  • Paper prize lors de la conférence internationale VPPC 2014

    Lors de la conférence internationale IEEE « Vehicule Power and Propulsion Conference » qui s’est déroulée à Coimbra au Portugal du 27 au 30 octobre 2014, l’équipe Systèmes Hybride et Systèmes Pile à Combustible »du département Energie de FEMTO-ST a remporté le « Paper Prize » pour son article intitulé « Gestion d'énergie d'un véhicule électrique hybride en fonctionnement dégradé »

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  • Best Paper Award pour proposer l’interopérabilité des systèmes de communication des armées

    L’article présenté fin octobre à Rome par une équipe de FEMTO-ST/ Département Informatique des Systèmes Complexes, a reçu le prix du meilleur article scientifique lors de la conférence européenne du Wireless Innovation Forum. Les résultats présentés portaient sur l’application des méthodes de génération de tests à partir de modèles formels pour vérifier la conformité au standard du logiciel embarqué dans ces équipements, permettant d’assurer ainsi leur interopérabilité.

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  • Yannick Lefier, vainqueur de la Grande Battle de FEMTO-ST !

    Vulgariser ses travaux de recherche avec humour et en moins de 3 minutes. C’est le défi dans lequel se sont lancés huit doctorants de FEMTO-ST qui se sont affrontés à coups de « supers pouvoirs » au cours de cette édition 2014 de la fête de la science. Après une première épreuve qui s’est déroulée à l’UFR-STGI de Belfort, le 9 octobre dernier devant 130 lycéens, Yannick Lefier s’est imposé lors de la finale qui a eu lieu le 12 octobre à Besançon avec 30 % des votes du public pour la présentation de ses travaux en optique… déguisé en grand maître de la lumière karatéka !

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  • Un nouveau mode de diffusion de la lumière dans de minuscules fibres optiques

    Des chercheurs de l'institut Femto-ST en collaboration avec des collègues du Laboratoire Charles Fabry viennent de découvrir un nouveau mode de diffusion de la lumière dans de minuscules fibres optiques 50 fois plus fines qu'un cheveu ! Ce phénomène, qui varie selon l'environnement de la fibre, pourrait être exploité pour concevoir des capteurs innovants et ultra-sensibles. Ces travaux sont publiés le 24 octobre 2014 dans la revue Nature Communications.

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  • Congrès CETSIS - 27-29 octobre 2014

    Besançon accueille le congrès CETSIS 2014 du 27 au 29 octobre 2014. Il se déroule essentiellement autour de démonstrations réelles de travaux pratiques et de projets et de tables rondes et accueillera des enseignants, enseignants-chercheurs, doctorants, industriels de toute la France et de pays francophones.

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  • Visite du Premier ministre, Manuel Valls, à FEMTO-ST

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  • Prix spécial du Jury sur le salon MICRONORA

    Un microrobot développé par une équipe de recherche de FEMTO-ST pour améliorer la chirurgie laser des cordes vocales a reçu le prix spécial du jury sur le salon MICRONORA

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