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Robotique, manipulation et instrumentation aux micro-scales

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Robotique, manipulation et instrumentation aux micro-nanoscales

Contexte

La maîtrise des échelles micro et nanométriques représente un formidable enjeu scientifique et technologique. La manipulation, l’assemblage et la caractérisation d’objets élémentaires de taille typique inférieure au millimètre sont de véritables défis. Ces objets peuvent être biologiques (cellules, fibres naturelles, ADN,…) ou artificiels (nanotubes, composants optiques intégrés, nanocristaux, nano-antennes, métamatériaux…).

Cependant, le positionnement précis de ces objets de très petite taille, leur visualisation et leur caractérisation restent des verrous à lever. Leur visualisation nécessite de recourir à des microscopes, optiques ou électroniques, et de développer des algorithmes de traitement d’images dédiés à ces imageurs. Les forces mises en jeu à cette échelle, de l’ordre du pico newton ou nano newton, ne peuvent pas être mesurées avec des capteurs issus du commerce ce qui requiert le développement de capteurs originaux. Le positionnement de ces objets nécessite le développement de systèmes robotiques dédiés, utilisant des techniques d’actionnement exploitant les effets physiques prédominants à ces échelles, où la gravité devient négligeable devant les forces surfaciques. L’intégration de mesures de position ou de force au sein de ces systèmes robotiques requiert également le développement de capteurs innovants.

Dans ce contexte, l’équipe ROBIMSS propose une approche originale exploitant les effets physiques très particuliers des petites échelles pour développer des systèmes de métrologie, d’actionnement, de mesure et des algorithmes de traitement d’images dédiés aux échelles micro et nanométriques.Objectifs et Thématiques scientifiques

Les recherches menées dans cette équipe sont consacrées à la conception, la modélisation et le développement de stratégies de commande de ces systèmes robotiques originaux. Une très grande importance est donnée à la validation expérimentale des méthodologies proposées. Les prototypes sont développés au sein du Centre de Micro et Nano Robotique, et les plus aboutis font l’objet de transfert industriel.

L’équipe ROBIMSS est structurée en thèmes scientifiques :

  •   le thème Nanorobotique cible les applications où les objets d’intérêts ont des dimensions typiquement inférieures à quelques micromètres. Compte tenu de ces dimensions, les tâches robotiques sont réalisées sous vide à l’intérieur de la chambre d’un microscope électronique à balayage (MEB). Nous conduisons des travaux d’interfaçage, de contrôle, de microscopie et de déploiement d’un jumeau numérique permettant de transformer les MEB en véritables micro-usines capables de fabriquer différents composants par méthodes additives et soustractives mais également par assemblage et caractérisation multiphysique. Grâce à cette approche nous proposons de nouveaux principes robotiques (impression 4D, pliage de structures multicouches par ion focalisés…) permettant de réaliser des robots plus petits que le diamètre d’un cheveux et nous réalisons de nombreuses tâches robotiques variées pour différentes applications (manipulation, assemblage et caractérisation pour la nanoélectronique, la photonique, les matériaux…) 
  • le thème Métrologie de force et applications pour les environnements dynamiques aux micro-nano échelles 
  • le thème Perception développe d’une part, des méthodes numériques innovantes pour l’analyse d’échantillons en combinant la microscopie électronique à balayage, la vision et la robotique, et d’autre part, des méthodes de fusion de données capteurs pour la localisation de véhicules autonomes destinés à la livraison de proximité. Dans le premier cas, les sujets traités comprennent l’acquisition automatique des images, notamment en mode rapide, le débruitage des images par deep learning, la modélisation du processus d’acquisition, la vision 3D, l’asservissement visuel, la mesure dimensionnelle, la formation et conservation en palinologie/paléontologie. Dans le second cas, les sujets comprennent la mise en correspondance de cartes et points 3D-3D, la modélisation par deep learning, le filtrage bayésien.
  • le thème Micro robotique liquide et sans contact et optimisation structurelle s'intéresse à la réalisation de systèmes robotiques à l’échelle micrométrique. En particulier, elle vise à utiliser des phénomènes physiques dominants à petite échelle tels que les forces de diélectrophorèse, la tension de surface ou l’effet piézo-électrique pour des applications de tri cellulaire sur puce microfluidique, de micro actionneur et de récupérateur d'énergie 3D. La conception optimale de tels mécanismes reste difficile par simple intuition car les phénomènes physiques utilisés sont souvent négligeables à l’échelle macroscopique. L’approche originale proposée est d’utiliser l’optimisation structurelle reposant sur des outils méthodologiques à base d'optimisation topologique pour garantir des conceptions optimales de ces microstructures.

Savoir-faire

L'équipe ROBIMSS est spécialisée dans :

  • la modélisation, la fabrication et la mise en œuvre d’actionneurs originaux exploitant les spécificités de la physique aux échelles micro et nanométriques : actionnement à l’échelle nanométrique par des techniques d’origami, actionnement sans contact en milieu fluidique ou à l’interface air/liquide exploitant notamment des effets de tension de surface, de thermocapillarité, d’ondes acoustiques, de diélectrophorèse ou d’actionnement thermique ;
  • l’étude de nouveaux principes d’actionnement et de structures robotiques (impression multimatériaux, impression 4D, origamis par pliage par faisceaux d’ions);
  • la conception de systèmes micro et nanorobotiques par des approches d’optimisation structurelle notamment l’optimisation topologique;
  • le développement de moyens de mesure (force, position, vision, reconstruction 3D…);
  • l’étalonnage et la commande référencée capteur de robots pour le contrôle ultra précis des positions et le contrôle des interactions robot, environnement (commande hybride force-position, asservissement visuel,  commande photo-robotique, self-sensing,…) ;
  • l’étude et la mise en oeuvre de principes de contrôle collaboratif homme-robot permettant la réalisation de tâches robotiques performantes de manière intuitive (jumeau numérique, contrôle collaboratif).

Mise en œuvre

L’équipe ROBIMSS attache une grande importance au développement de dispositifs expérimentaux permettant de valider les méthodologies scientifiques proposées, et d’adresser les verrous technologiques inhérents aux échelles micro et nanométriques. Nous pouvons citer notamment :

  • la réalisation de systèmes complexes par des techniques de microfabrication en salle blanche, impression multimatériaux et impression 4D ou in-situ MEB (Microscope Electronique à Balayage) grâce aux moyens du Centre Micro et NanoRobotique, membre du réseau Robotex (PIA equipex) ;
  • le développement de plateformes et procédures expérimentales visant principalement à caractériser des matériaux (nanotubes de carbones, fibres végétales et synthétiques, structures souples), des objets biologiques mais aussi à réaliser des assemblages (composants optiques, photoniques, micro-mécaniques, micro-instruments et outils)                                                                            

Thème Nanorobotique


Thème Micro robotique liquide et sans contact et optimisation structurelle
Dernière modification :
18/07/2022