De la recherche fondamentale au partenariat industriel

actionnement capillaire

Contenu des travaux

En micromanipulation en milieu aérien, des gouttes de liquide sont utilisées pour exploiter les forces capillaires et de tension de surface pour réaliser des actions de préhension. Dans le cadre de la micromanipulation en milieu liquide, il est également possible d'utiliser les effets capillaires à condition de créer des bulles de gaz. Le comportement des gouttes d'eau est régi par la loi de Laplace et on considère en général que l'évolution s'effectue à volume de liquide constant. Le comportement des bulles de gaz est sensiblement différent puisque le gaz étant compressible, la pression capillaire modifie sensiblement le volume de la bulle. Ainsi la loi de Laplace définissant la pression capillaire au sein de la bulle en fonction de la géométrie du ménisque et la loi des gaz parfait régissant également la pression au sein de la bulle en fonction du volume de la bulle doivent être analysées conjointement.

Une bulle peut ainsi être considérée comme un transducteur liant une énergie pneumatique P.V à une énergie mécanique F.d via l'interface capillaire à l'instar des actionneurs fluidiques flexibles qui réalisent la même conversion d'énergie par des membranes flexibles. Nous avons montré que l'identification de ce nouveau transducteur ouvre des perspectives intéressantes en terme d'actionneur et de capteurs autour de deux configurations représentées sur la figure ci-dessous.

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Configurations types des tranducteurs fluidiques capillaires

La modélisation du couplage entre la compressibilité du gaz et les effets capillaires ont été modélisés. Ce couplage apparait comme une spécificité de l'échelle micrométrique et explique la croissance parfois instable de bulle d'air générée avec un 'pousse-seringue' (voir figure ci-dessous).

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Croissance instable de la bulle due au couplage entre la compressibilité du gaz et la capillarité.

Ce transducteur a été utilisé pour réaliser une table robotique à trois degrés de liberté. Le principe d'actionnement est reporté sur la figure ci-dessous. Il repose sur l'utilisation de trois bulles placer entre la table à actionnée et un substrat. Afin que la taille des bulles soit modifiable, elles sont reliés à un réservoir de gaz dont le volume peut être contrôlé par un système de type "pousse-seringue".

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Représentation tridimensionnelle du principe d'une table à actionnement capillaire.

Le premier intérêt de cette approche est de pouvoir déporter le pousse seringue à une distance sensible de la table (typiquement plusieurs centimètre, voire un mètre), évitant des problèmes d'encombrement prégnant à cette échelle. Un deuxième avantage est que les bulles permettent un montage facile de la table par auto-assemblage. La structure ainsi réalisée est de plus particulièrement robuste comparativement à une structure élastique capable des mêmes déplacements (voir figure ci-dessous). En effet, si un effort trop important est appliqué sur la structure, la table se détachera des bulles est pourra être rapidement remonté alors qu'une structure compliante serait définitivement cassée. Enfin, l'effet d'échelle est très favorable à la miniaturisation d'un tel principe basé sur les forces capillaires linéaires à l'échelle considérée contrairement au poids de la table qui est volumique. Ainsi, plus le système est petit, plus les bulles seront efficaces pour déplacer la table.

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Exemple de fonctionnement d'un prototype de table à trois degrés de liberté actionnée par des bulles de gaz

Collaborations

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'institut BEAMS de l'Université Libre de Bruxelles dans le cadre de la thèse en co-tutelle de Cyrille Lenders et du projet PHC Franco-belge 'MODIM : Modélisation du micromonde'.

Publications

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