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Nanorobotique du futur : FEMTO-ST entre dans la 4ème dimension

Pour la première fois, des structures nanorobotiques ont été réalisées par pliage en 3 dimensions d'une membrane multi-couche en proposant en plus leur actionnement par un principe électro-thermo-mécanique.

Publiés dans "Advanced Materials" ces travaux s'inscrivent dans la lignée des dernières innovations de FEMTO-ST, et plus particulièrement des membres du CMNR - Centre de Micro et Nano Robotique - qui vient de naître et dans lequel on retrouve la plateforme µRobotex, initialement labellisée dans le cadre du PIA I et qui est devenue TIRREX, en janvier 2021, dans le cadre du PIA III. 

Cet article se fonde sur sur les innovations ayant abouti à la fabrication d’une micro-maison par origami en 3 dimensions à partir d’une membrane de silice ainsi que du record du monde du plus petit personnage en volume jamais animé en stop motion.

Dans cette nouvelle expérimentation, le défi va bien au-delà du pliage origamique de la micro-maison, puisque le travail permet de réaliser pour la première fois des structures nanorobotiques (dans l’article, une pince est utilisée comme démonstrateur) de dimensions inférieures à 100 µm par pliage en 3 dimensions d’une membrane multi-couche. L’actionnement de ces structures 3D s’effectue par un principe électro-thermo-mécanique ce qui conduit à ce que l’on appelle, dans ce contexte microtechnique, « la 4ème dimension », à savoir l’actionnement en plus de la fabrication d’une structure 3D. Le challenge réalisé avec succès est de taille : non seulement il est difficile de plier la structure multi-couche par bombardement d’ions focalisés, majoritairement composée de silice, à 90° mais aussi d’intégrer l’actionnement des doigts d’une nouvelle micropince par pliage innovant à cette échelle.

Un des apports scientifiques du travail publié dans cet article réside dans la compréhension fine des phénomènes physiques se produisant pendant le pliage bidirectionnel assisté par un bombardement d’ions focalisés (FIB). Celle-ci résulte d’intenses collaborations utiles à la modélisation multiphysique des phénomènes propres aux travaux pluridisciplinaires tels que la nanorobotique et a conduit à ce que la technologie proposée soit reproductible, maitrisée et applicable à de nombreuses autres problématiques que la robotique.

La totalité des travaux a été réalisée à FEMTO-ST, par des chercheurs du département AS2M, de la conception aux tests de fonctionnements en passant par la modélisation et bien entendu la fabrication. Les étapes de fabrication des membranes de silice et des dépôts d’électrodes d’aluminium selon des motifs prédéfinis ont été réalisés dans la centrale MIMENTO de FEMTO-ST à partir de masques dessinés et conçus en interne. Les usinages par faisceau d’ions conduisant aux structures 3D et 4D ont été réalisés sur la plateforme µRobotex. Toutes les étapes de tests de fonctionnement de visualisation des déformations des doigts et de mesures des amplitudes, précisions d’ouvertures, ont également été réalisées sur la plateforme µRobotex. 

Ce travail répond à un besoin croissant de systèmes permettant la préhension aux petites échelles, car dans la course à la miniaturisation des systèmes et des composants, il est primordial de pouvoir disposer de moyens de préhension performants, parfaitement contrôlables, précis, reproductibles et robustes dans le temps. Ce type de pince a été créée pour permettre de manipuler des molécules isolées (10 à 50 nm), des virus (20 à 200 nm), des nanotubes (25 à 150 nm), des bactéries (1 à 10 µm), des globules (1 à 3 µm), des micros et nano composants de circuits électriques et optiques. L’exemple d’application décrit dans l’article est une pince utilisée pour déplacer une fibre optique étirée d’un diamètre de 6 à 8 µm.

Pour repousser les limites de ce résultat de recherche, il serait désormais intéressant d’intégrer un moyen de mesure des forces appliquées sur les objets manipulés. Cette information permettrait ainsi d’augmenter la dextérité de manipulation et d’étendre la gamme des objets saisis en ayant la possibilité des saisir des matériaux mous sans les endommager. Pour des applications spécifiques, il serait également possible de fonctionnaliser l’extrémité des doigts des micropinces afin de prélever de façon sélective certains objets dans certaines solutions.

Voir l'article du CNRS sur cette publication

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

Contact : Cédric Clevy

Remerciements :

Ces travaux ont été possibles grâce à l’implication de nombreux personnels, de l’institut FEMTO-ST, de ses tutelles (CNRS, UBFC, UFC, ENSMM), de ses centrales de technologies (MIMENTO réseau Rénatech et Robotex/Tirrex) et du soutien financier de la région Bourgogne Franche-Comté ainsi que de l’Agence Nationale de la recherche notamment via le projet de l’EUR Eiphi  « Nanofolding ».