Nous présentons dans cette thèse les différentes étapes de conception d'une plateforme microrobotique dédiée au positionnement sous faisceau de lumière d'objets de dimensions micrométriques. Cette plateforme a pour vocation de mettre en oeuvre des méthodologies d'asservissement et de suivi de position de micro-objets placés au coeur même d'un faisceau de lumière. L'objectif final étant de caractériser des micro/nano-matériaux par diffraction et diffusion des rayons X. Les différentes contraintes technologiques rencontrées par les systèmes de micro-nanomanipulation actuels en environnement synchrotron nous ont amené à concevoir une plateforme microrobotique de manipulation duale utilisant des sondes de microscope à force atomique (AFM). Diverses méthodologies de préhension avec une ou deux sondes AFM avec capteur de force intégré - ont été proposées en vue d'évaluer chacune d'entre-elles dans un contexte de positionnement tridimensionnel. Une stratégie de commande des micromanipulateurs à double étage est mise en oeuvre pour assurer l'asservissement de position des sondes AFM lors des tâches d’approche et de transport du micro-échantillon sous test. Afin d’augmenter la robustesse de positionnement vis-à-vis des erreurs de modélisation, des perturbations extérieures et des bruits de mesure, nous avons proposé une commande robuste de type H∞, avec optimisation des paramètres de pondération à partir d’algorithmes génétiques. De plus, les erreurs aléatoires d’alignement du faisceau de lumière avec l’objet sont corrigées en temps-réel par l’utilisation d’estimateurs de position (filtres de Kalman et particulaire). Finalement, des tâches microrobotiques automatisées de micro-préhension, de transport et de positionnement de microobjets sphériques de 8 μm de diamètre placés sous faisceau de lumière laser ont été réalisées avec succès. Le « benchmark » proposé est en cours de transfert au sein du European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) à Grenoble pour validation sous faisceau de rayons X. / We present in this thesis the various stages in the design of a microrobotics platform dedicated to the manipulation of micro/nano objects in a synchrotron environment. It is composed of dual micro/nano manipulators in order to handle and to maintain a micro/nano-sample through the focus of a X-ray or laser beam for material characterization and analysis. The main idea is to control and to drive in a robust way the micro/nanomanipulators by focusing the beam on the center part of the handled micro-object. A microgripper based on two Atomic Force Microscope (AFM) tips with integrated piezoresistive force sensors is proposed. First, the dual manipulators are controlled cooperatively by combining the different actuator dynamics to track a laser beam with nanometer precision. A robust control strategy based on H∞ control ensures a robust microhandling task under the focus of the laser beam whatever the external perturbations involved and parametric model uncertainties. The Genetic Algorithm (GA) approach is used to compute the parameter weighting functions in to obtain an optimal H∞ controller. Then, we propose to compensate the laser beam variations (thermal drift, mechanical variations) by estimating the position of the laser beam using stochastic estimators (Kalman and particle filters). To this aim, the maximum intensity of the laser beam is measured and tracked in real-time by a four-quadrant photodiode sensor. Finally, experimental results performed of micro-spheres (diameter: 8 μm) demonstrate the robustness of the robotic microhandling tasks using the proposed control scheme strategy.

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Ce travail de thèse est dédié à l'étude de quelques phénomènes de surface impliquant des processus d'interactions à l'échelle nanométrique. Les expériences sont réalisées à l'aide un microscope à force atomique (AFM) à grande sensibilité, utilisant un interféromètre différentiel permettant d'atteindre une résolution de E-28m2/Hz dans la mesure de la déflexion de la sonde de force. Combiné à une approche originale d'analyse du bruit thermique, cet outil permet une caractérisation quantitative de la réponse mécanique de systèmes de taille micrométrique et nanométrique, tel que des micro-leviers ou des nanotubes de carbone, sur une large plage de fréquence.La première partie de mon travail porte sur la viscoélasticité du revêtement de leviers AFM. Mis en évidence par un bruit thermique en 1/f à basse fréquence, ce phénomène est présent lorsque le micro-levier est recouvert d'une couche nanométrique de métal (or, aluminium, platine, etc.) À l'aide du théorème fluctuation-dissipation et des relations de Kramers-Kronig, nous mesurons la dépendance en fréquence de cet amortissement viscoélastique dans une large gamme de fréquence (1Hz à 20 kHz. Nous observons une dépendance en fréquence générique sous la forme d'une loi de puissance pour ce processus de dissipation, avec un petit coefficient négatif qui dépend du matériau considéré. L'amplitude de cet effet est linéaire avec l'épaisseur du revêtement, démontrant ainsi que le mécanisme de dissipation est une propriété du volume de la couche métallique plutôt que de ses interfaces.La deuxième partie de mon travail se concentre sur de nouvelles expériences sur l'interaction de nanotubes de carbone avec des surfaces planes. En utilisant notre AFM, nous réalisons une mesure directe de la réponse mécanique (raideur, dissipation) du contact entre le nanotube et la surface, dans une géométrie de pelage (le nanotube est partiellement adsorbé sur la surface). Les résultats de ce protocole sont en accord avec la mesure de la raideur dynamique déduite de l'analyse du bruit thermique, démontrant une dépendance inattendue en loi de puissance de la raideur du contact en fonction de la fréquence. Nous proposons quelques origines physiques possibles pour expliquer ce comportement, tel qu'une couche de carbone amorphe autour du nanotube. / In this thesis, we test some interactions involving surfaces processes at the nanometer scale. The experiments are conducted with a highly sensitive interferometric Atomic Force Microscope (AFM), achieving a resolution down to E-28m2/Hz for the measurement of deflection. Combined with original thermal noise analysis, this tool allows quantitative characterization of the mechanical response of micrometer and nanometer sized systems, such as microcantilevers or carbon nanotubes, on a large frequency range.The first part of my work deals with the viscoelasticity of the coating of AFM cantilevers. Evidenced by a 1/f thermal noise at low frequency, this phenomenon is present when a cantilever is coated with a metallic layer (gold, aluminium, platinium, etc...). Using the fluctuation dissipation theorem and Kramers Kronig relations, we extract the frequency dependance of this viscoelastic damping on a wide range of frequency (1Hz to 20kHz). We find a generic power law dependence in frequency for this dissipation process, with a small negative coefficient that depends on materials. The amplitude of this phenomenon is shown to be linear in the coating thickness, demonstrating that the damping mechanism takes its roots in the bulk of the metallic layer.The second part of my work tackles new experiments on the interaction of carbon nanotubes with flat surfaces. Using our AFM, we perform a true mechanical response measurement of the rigidity and dissipation of the contact between the nanotube and the surface, in a peeling configuration (the nanotube is partially absorbed to the substrate). The results of this protocol are in line with the dynamic stiffness deduced from the thermal noise analysis, showing an unexpected power law dependence in frequency for the contact stiffness. We suggest some possible physical origins to explain this behavior, such as an amorphous carbon layer around the nanotube.