Les systèmes d’actionnement à distance pour la manipulation d’objets de taille micrométrique ont connu un développement sans précédent ces dernières années dans les laboratoires de recherche. Ils permettent de contrôler à distance le déplacement et l’orientation d’objets en appliquant des champs de force à distance. Ils sont donc spécialement adaptés pour agir dans des milieux confinés pour lesquels les problèmes d’accessibilité empêchent l’utilisation de manipulateurs robotisés classiques. De plus la faible inertie de ces systèmes permet d’atteindre des cadences de manipulation importantes. Parmi les effets physiques exploitables pour actionner ces systèmes une attention particulière est portée sur les effets magnétiques, en raison des niveaux de forces élevés atteignables. L’état de l’art montre un nombre de travaux importants dans le domaine de l’actionnement magnétique en environnement liquide. Cependant les vitesses atteignables sont limitées par les frottements visqueux. Quelques études font état de l’utilisation de l’actionnement magnétique en milieu ambiant, mais les forces d’adhésion entre le substrat et la particule rend le système peu répétable. Cette thèse propose une approche originale alliant faibles frottements visqueux et grande répétabilité en considérant un milieu de travail peu étudié : l’interface air/liquide. Cette thèse s’intéresse plus particulièrement à la modélisation, la caractérisation, l’analyse des performances et la commande d’un système d’actionnement magnétique à l’interface air/liquide pour des applications à l’échelle micrométrique. / In recent years research laboratories have shown an increasing interest for non-contact actuation systems at micrometer scale. These systems control both the displacement and the orientation of the objects using remote force fields. They are of major interest in confined spaces in which traditional approaches based on robotic grippers are not suitable. In addition high manipulation throughputs can be reached due to the low inertia of these systems. Several physical principles can be considered as the actuation source. Among them a special attention is given to magnetic forces due to the high forces that can be applied to the objects. A large amount of work has been carried out on magnetic actuation systems for manipulation in liquid environments. However velocities are limited by viscous effects. A few studies are reported on magnetic systems in ambient environments. However repeatability is decreased by adhesion forces between the substrate and the objects. This work proposes an original approach with a good trade off between low viscous effects and high repeatability based on the use of a specific environment: the air/liquid interface. This thesis presents the modelling, the characterization, the performance analysis and the control of a magnetic actuation system at the air/liquid interface for applications at the micrometer scale.

Cette thèse propose de réaliser des micro/nano-pinces magnétiques articulées dont l'actionnement à distance est obtenu par l'application d'un champ magnétique. Cette idée innovante consiste à relier par l'un de leurs côtés deux microparticules magnétiques parallélépipédiques à l'aide d'une nano-charnière en or flexible. Destinées à des applications biotechnologiques et médicales, ces pinces ont pour finalité de capturer des micro/nano-objets ciblés biochimiquement pour y appliquer et mesurer des forces. Le défi de ce projet était de mener, à partir d'une idée simple, un ensemble d'études à la fois théoriques et technologiques, pour aboutir à une première preuve de concept. Dans ce but, un modèle analytique a d'abord été construit pour prédire le comportement magnéto-mécanique des pinces en fonction de divers paramètres physiques. Ensuite, un procédé de fabrication inspiré des techniques de la microélectronique a été développé pour parvenir à la réalisation d'un prototype de pince fonctionnel. Enfin, l'ouverture par l'action d'un champ magnétique de pinces fixées à un substrat, a pu être démontrée à l'aide d'une expérience originale installée dans un microscope électronique à balayage. Les résultats de ces expériences, en bon accord avec nos prédictions théoriques, ont permis de quantifier le comportement mécanique de la nano-charnière en or. Fixées à un substrat, ces pinces forment un réseau de micro-surfaces réfléchissantes qui trouveront des applications en microfluidique (bio-puces) ou en nano-physique. Libérées en solution, les pinces pourraient être employées de manière originale en micro-manipulation d'objets biologiques ou diagnostic et thérapie cellulaire. / The objective of this thesis was to elaborate magnetic micro/nano-tweezers remotely actuable by the application of a magnetic field. This innovative idea consists in binding two parallelepiped magnetic microparticles by one of their sides with a flexible gold nano-hinge. Intended for biotechnological and medical applications, these tweezers aim at capturing biochemically targeted micro/nano-objects, in order to exert forces on them and perform force measurements. In this project starting from a simple idea, the challenge was to carry out theoretical and technological studies leading to a first proof of concept. To this end, an analytical model was first elaborated to predict the magneto-elastic behavior of the tweezers, depending on various physical parameters. Then, a fabrication process inspired from microelectronic techniques was developed to complete a functional prototype of tweezers. Finally, the remote actuation of such tweezers, kept attached to a substrate, by the application of a magnetic field, was demonstrated using an original experiment set up inside a scanning electron microscope. These experiments yielded results in good agreement with our theoretical predictions and allowed the quantification of the gold nano-hinge elastic behavior. Attached to a substrate, these tweezers constitute an array of reflective micro-surfaces, which can find applications in microfluidics (biochips) or in nano-physics. Released in solution, the tweezers could be used in an original way for biological objects micro-manipulation or cell diagnostic and the

Magnetické nanočástice a nanostrukturované materiály jsou velkým příslibem v mnoha oblastech, včetně biomedicíny, sanace životního prostředí nebo získávání energie. Proto neustále roste zájem o výzkum jejich jedinečných vlastností a vývoj uskutečnitelných výrobních postupů. Tato práce se zabývá metodou samouspořádávání, spočívající v povrchové precipitaci tenkých vrstev, za účelem výroby epitaxních polí nanoostrůvků ze slitiny FeRh na různých monokrystalických substrátech. Při tomto výrobním postupu zůstává zachována metamagnetická fázová přeměna nanoostrůvků. Morfologie a magnetické vlastnosti samouspořádaných nanomagnetů z FeRh jsou charakterizovány kombinací experimentálních technik a modelování, přičemž bylo zjištěno, že jejich rovnovážné tvary a magnetické uspořádání jsou navzájem propojeny. Kromě toho je navržena cesta pro získání volných nanočástic, která by mohla potenciálně umožnit využití metamagnetických nanostruktur v buněčných kulturách a biomedicíně obecně. Za tímto účelem jsou nanoostrůvky FeRh uvolňovány ze substrátu chemickým leptáním. Chování nanočástic a jejich reakce na teplotu a magnetické pole jsou studovány v kapalném prostředí. Metamagnetické vlastnosti separovaných nanočástic jsou charakterizovány pomocí vibrační magnetometrie.

[pt] A Internet das Coisas (do inglês, IoT) está se popularizando cada dia mais, se expandindo para aplicações em quase todos os setores de nossa socidade, impactando a economia e a vida cotidiana dos cidadãos. Com o crescimento das aplicações IoT, também ocorre uma expansão na demanda por novos dispositivos com capacidades de atuação, como lâmpadas inteligentes, fechaduras inteligentes, aparelhos de climatização (HVAC), máquinas industriais com capacidade de comunicação, robôs, drones, etc. Muitas plataformas de middleware estão sendo desenvolvidas para suportar o desenvolvimento de aplicativos de IoT distribuídos e facilitar a comunicação de sensores para a nuvem e recursos de edge processing. Mas surpreendentemente, muito pouco foi feito para fornecer mecanismos de suporte genéricos e em nível de middleware para detectar dispositivos controláveis e executar comandos de atuação, ou seja, transferi-los para o dispositivo. Este trabalho apresenta uma extensão ao middleware ContextNet que provê suporte à atuação remota e genérica sobre dispositivos inteligentes conectados pela Internet das Coisas. / [en] The Internet of Things (IoT) is becoming increasingly popular, expanding into applications in almost every sector of our society, impacting the economy and daily life of citizens. As IoT applications grow, so does the demand for new devices with actuation capabilities, such as smart light bulbs, HVAC devices, smart locks, communication-capable industrial machines, robots, drones, and so on. Many software platforms are being developed to support the development of distributed IoT applications and to facilitate cloud sensor communication and edge processing capabilities. But surprisingly, very little has been done to provide middleware-level support and generic mechanisms for discovering devices and their interfaces, and executing activation commands, i.e. transferring them to the device. This work presents an extension to the ContextNet Middleware to support generic and remote actuation on devices connected by the Internet of Things.