Ce document présente une synthèse de mes contributions scientifiques au domaine de la micromanipulation robotique. La manipulation d'objets de tailles microscopiques, dont le comportement est régi par des effets de surfaces, nécessite des nouvelles solutions de préhension et d'assemblage. L'approche générale proposée dans ce manuscrit repose sur la proposition d'effectuer la manipulation présentant des avantages comme, par exemple, la stabilisation des comportements par effets visqueux ou le contrôle des propriétés de surface par des principes électrochimiques. La démarche scientifique présentée au chapitre 1 repose sur trois étapes mises en oeuvre lors de l'étude de la micromanipulation robotique en milieu liquide dont le contexte bibliographique est exposée au chapitre 2. La première étape (chapitre 3) consiste en un travail de modélisation des interactions entre micro-objets afin d'en prédire et d'en simuler le comportement. Sur la base de ces modèles, des stratégies de micromanipulation (chapitre 4) ont été proposées et des travaux scientifiques ont été menés sur leur caractérisation et leur commande. Ces stratégies de micromanipulations représentent le coeur des cellules robotiques de micro-assemblages présentées au chapitre 5. Les perspectives de ces travaux portant sur l'exploration du no man's land entre microscience et nanoscience, la proposition de méthodes permettant la création de micro-assemblages complexes et fonctionnels, ainsi que l'ouverture vers la manipulation robotique de cellules biologiques, font l'objet d'un dernier chapitre.

Cette thèse a pour contexte la micromanipulation en milieu liquide. Cette thématique scientifique vise à comprendre les phénomènes qui interviennent lors de la manipulation dans un liquide de microcomposants, dont la taille peut varier entre 1µm et quelques millimètres. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur l'étude des forces de tension de surface en milieu immergé. L'idée est d'utiliser des bulles de gaz comme un moyen d'actionnement dans les milieux liquides, et nécessite d'étudier les propriétés mécaniques de ces bulles. L'originalité de l'approche repose sur la combinaison de deux effets : la tension de surface et la compressibilité du gaz. La première étape a été l'étude d'un moyen pour générer une unique bulle de gaz de taille voulue. Le contrôle en volume étant une méthode prometteuse, nous avons développé un modèle permettant de prédire la taille d'une bulle, et mis en évidence la possible existence d'une instabilité de la croissance de ces bulles. Une étude analytique adimensionnelle nous a permis de définir un critère pour prédire l'existence de cette instabilité. La seconde étape a porté sur la caractérisation mécanique d'une bulle de gaz en contact avec deux solides. Le modèle implémenté a permis de déduire des propriétés intéressantes des bulles de gaz, notamment une grande compliance dont la valeur peut être contrôlée par des paramètres fluidiques. Un démonstrateur exploitant les bulles de gaz a été conçu : une microtable compliante actionnée par trois bulles. Ces travaux ouvrent la voie vers de nouveaux modes d'actionnement ou de capteur utilisant la transduction entre une énergie fluidique et mécanique opérée par un ménisque capillaire.

In recent years, research efforts in the development of Micro Electro Mechanical Systems, (MEMS) including microactuators and micromanipulators, have attracted a great deal of attention. The development of microfabrication techniques has resulted in substantial progress in the miniaturization of devices such as electronic circuits. However, the research in MEMS still lags behind in terms of the development of reliable tools for post-fabrication processes and the precise and dexterous manipulation of individual micro size objects. Current micromanipulation mechanisms are prone to high costs, a large footprint, and poor dexterity and are labour intensive. To overcome such, the research in this thesis is focused on the utilization of microactuators in micromanipulation. Microactuators are compliant structures. They undergo substantial deflection during micromanipulation due to the considerable surface micro forces. Their dominance in governing micromanipulation is so compelling that their effects should be considered in designing microactuators and microsensors. In this thesis, the characterization of the surface micro forces and automated micromanipulation are investigated. An inexpensive experimental setup is proposed as a platform to replace Atomic Force Microscopy (AFM) for analyzing the force characterization of micro scale components. The relationship between the magnitudes of the surface micro forces and the parameters such as the velocity of the pushing process, relative humidity, temperature, hydrophilicity of the substrate, and surface area are empirically examined. In addition, a precision automated micromanipulation system is realized. A class of artificial neural networks (NN) is devised to estimate the unmodelled micro forces during the controlled pushing of micro size object along a desired path. Then, a nonlinear controller is developed for the controlled pushing of the micro objects to guarantee the stability of the closed loop system in the Lyapunov sense. To validate the performance of the proposed controller, an experimental setup is designed. The application of the proposed controller is extended to precisely push several micro objects, each with different characteristics in terms of the surface micro forces governing the manipulation process. The proposed adaptive controller is capable of learning to adjust its weights effectively when the surface micro forces change under varying conditions. By using the controller, a fully automated sequential positioning of three micro objects on a flat substrate is performed. The results are compared with those of the identical sequential pushing by using a conventional linear controller. The results suggest that artificial NNs are a promising tool for the design of adaptive controllers to accurately perform the automated manipulation of multiple objects in the microscopic scale for microassembly.

In recent years, research efforts in the development of Micro Electro Mechanical Systems, (MEMS) including microactuators and micromanipulators, have attracted a great deal of attention. The development of microfabrication techniques has resulted in substantial progress in the miniaturization of devices such as electronic circuits. However, the research in MEMS still lags behind in terms of the development of reliable tools for post-fabrication processes and the precise and dexterous manipulation of individual micro size objects. Current micromanipulation mechanisms are prone to high costs, a large footprint, and poor dexterity and are labour intensive. To overcome such, the research in this thesis is focused on the utilization of microactuators in micromanipulation. Microactuators are compliant structures. They undergo substantial deflection during micromanipulation due to the considerable surface micro forces. Their dominance in governing micromanipulation is so compelling that their effects should be considered in designing microactuators and microsensors. In this thesis, the characterization of the surface micro forces and automated micromanipulation are investigated. An inexpensive experimental setup is proposed as a platform to replace Atomic Force Microscopy (AFM) for analyzing the force characterization of micro scale components. The relationship between the magnitudes of the surface micro forces and the parameters such as the velocity of the pushing process, relative humidity, temperature, hydrophilicity of the substrate, and surface area are empirically examined. In addition, a precision automated micromanipulation system is realized. A class of artificial neural networks (NN) is devised to estimate the unmodelled micro forces during the controlled pushing of micro size object along a desired path. Then, a nonlinear controller is developed for the controlled pushing of the micro objects to guarantee the stability of the closed loop system in the Lyapunov sense. To validate the performance of the proposed controller, an experimental setup is designed. The application of the proposed controller is extended to precisely push several micro objects, each with different characteristics in terms of the surface micro forces governing the manipulation process. The proposed adaptive controller is capable of learning to adjust its weights effectively when the surface micro forces change under varying conditions. By using the controller, a fully automated sequential positioning of three micro objects on a flat substrate is performed. The results are compared with those of the identical sequential pushing by using a conventional linear controller. The results suggest that artificial NNs are a promising tool for the design of adaptive controllers to accurately perform the automated manipulation of multiple objects in the microscopic scale for microassembly.

Sexual assault investigations utilize both physical and biological evidence to aid in the investigation. Physical evidence may include fingerprints, hair, fibers, stains, soil, and glass. Biological evidence may include semen, saliva, vaginal secretions, menstrual blood, and skin. Semen, often found in small or trace quantities, is of great importance when trying to identify the perpetrator. From the semen sample, DNA profiles using autosomal short tandem repeats (aSTRs) (gold standard in forensic science) or Y-chromosome short tandem repeats (Y-STRs) can be obtained and can be used to identify a perpetrator through comparison to suspect reference samples or by searching the profile against a DNA database (CODIS). Obtaining DNA profiles can be challenging when assaults are reported many days after the incident. The amount of semen will decrease as the time frame increases due to various factors such as drainage from the vagina. To potentially overcome this obstacle and improve the recovery of profiles from extended interval samples, it may be possible to develop novel collection and analysis methods using individual or few sperm cells. Small quantities of sperm cells may still be present in extended interval samples that may otherwise fail to provide a DNA profile using conventional methods. The work presented here focuses on the development of these novel analysis methods using micromanipulation techniques and enhanced amplification strategies for the analysis of individual sperm cells to determine if a full DNA profile is present. The developed methods will be applied to the analysis of extended interval post coital samples.

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Dans le domaine du développement d'outils de micromanipulation de haute précision pour le biomédical, les microrobots mobiles immergés font figures de technologie émergente prometteuse pour des applications in-vitro, puis à plus long terme pour l'in-vivo. Mes travaux portent sur l'étude de la propulsion de microrobots par voie magnétique dans des fluides circulant dans des microcanaux, à une échelle où les phénomènes d'adhérence et d'amortissement prévalent. Leur application pour des opérations de transduction est développée dans un deuxième volet.Un dispositif d'asservissement par vision à haute fréquence d’échantillonnage (~5kHz) a été développé rendant possible le contrôle sous champ magnétique uniforme ou gradient. Les performances du système ont notamment demandé l’implémentation d'une interface multi-tâches afin de pouvoir acquérir et traiter les images en parallèle de l'actuation du robot. L'analyse de la dynamique permet de mieux appréhender les phénomènes parfois imprévisibles liés au déplacement du robot, MagPol, intégré dans une puce microfluidique. Il peut réciproquement servir de capteur dans son environnement fluidique.Ce design original de robot a été conçu pour la micromanipulation et permet également d'explorer des nouvelles stratégies de déplacement. Ces capacités ont été éprouvées sur des objets de même taille qu'en biologie cellulaire (billes, bulles).Enfin, une démonstration de l'asservissement visuel en planification de tâche a été effectuée. Sous réserve de posséder un algorithme suffisamment performant, l'échantillonnage haute fréquence en temps réel devient possible et l'observation de performances sur des trajectoires complexes est démontrée. Les performances, la portabilité et la reproductibilité du système démontrent des capacités de transduction à haut débit qui sont très prometteuses pour l'aspect applicatif. / In the research for new high performances tool for micrometric scale manipulation, mobile microrobots immersed are considered as a promising technology for in-vitro applications, and with a long term view in-vivo. My work focuses on the propulsion study of mobile microrobots immersed in microfluidic channels controlled through electromagnets. At this scale, surface and damping phenomena predominates. Application for transduction operation is developed in a second part.A high sampling rate (≈5kHz) visual servoing setup have been developed making a control possible through uniform and gradient magnetic field. Performances of the system have notably required a multi-thread programmed user interface to acquire and analyze the frame in parallel of the robot actuation. Dynamic analysis allow to better apprehend the perturbation dynamics of the robot MagPol, integrated in a microfluidic chip. It can reciprocally serve as a sensor for in fluidic environment.MagPol design has been originally conceived for micromanipulation, and also allows to explore new displacement strategies. Its capacities have been tested on beads and bubbles equivalent to cell biology characteristic size (10µm – 100µm).Finally, a demonstration of planned trajectory using visual servoing was accomplished. Though it has required an algorithm sufficiently efficient, high frequency real-time sampling is possible and lead to control and post observation on complex trajectory. Global performances, repeatability and portability of our system has demonstrated its capacities as a high-throughput transducer, promising for single microagent applications.

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.

The scope of this thesis is micromanipulation in liquid media. This scientific field aims at understanding the relevant phenomena existing during the manipulation in a liquid of microcomponents having a size between $1,micrometer$ and a few millimeters. This work focuses on the study of surface tension forces in immersed media, because they have favorable scaling effect. The main idea is to use gas bubbles as actuation mean in a liquid, and requires to study the mechanical properties of these bubbles. The originality of the approach is the combination of two effects: surface tension and gas compressibility. <p><p>The first step was the study of an efficient mean to generate a single bubble of predefined size. After a detailed review, it appeared that volume controlled bubble generation was a promising method. We have then developed a model to predict the size of a bubble, and emphasized the possible existence of a growing instability. An analytic dimensionless study allowed to define a criterion to predict the existence of this instability.<p><p>The second step aimed at the mechanical characterization in quasi static equilibrium of a gas bubble caught between two solids. The purpose is to predict the force generated by the bubble, together with its stiffness. The model implemented allowed to infer interesting properties, notably a high compliance whose value is controllable by fluidic parameters. This compliance property being very important during micromanipulation, a demonstrator making use of gas bubbles has been designed and manufactured. It consists in a compliant microtable actuated by three bubbles. This work opens the way to new actuation or sensing means, using the transduction between fluidic and mechanic energy operated by a capillary bridge.<p>/<p>Cette thèse a pour contexte la micromanipulation en milieu liquide. Cette thématique scientifique vise à comprendre les phénomènes qui interviennent lors de la manipulation dans un liquide de microcomposants, dont la taille peut varier entre $1,micrometer$ et quelques millimètres. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur l'étude des forces de tension de surface en milieu immergé, car elles bénéficient d'effets d'échelle favorables. L'idée poursuivie est d'utiliser des bulles de gaz comme un moyen d'actionnement dans les milieux liquides, et nécessite d'étudier les propriétés mécaniques de ces bulles. L'originalité de l'approche repose sur la combinaison de deux effets :la tension de surface et la compressibilité du gaz.<p><p>La première étape a été l'étude d'un moyen efficace pour générer une unique bulle de gaz de taille voulue. Après une analyse exhaustive, il est apparu que la génération de bulle par le contrôle en volume était une méthode prometteuse. Nous avons alors développé un modèle permettant de prédire la taille d'une bulle, et mis en évidence la possible existence d'une instabilité de la croissance de ces bulles. Une étude analytique adimensionnelle nous a permis de définir un critère pour prédire l'existence ou non de cette instabilité. <p><p>La seconde étape a porté sur la caractérisation mécanique en régime quasi statique d'une bulle de gaz en contact avec deux solides. Le but étant de prédire la force générée par une bulle de gaz sur les solides ainsi que sa raideur. Le modèle implémenté a permis de déduire des propriétés intéressantes des bulles de gaz, notamment une grande compliance dont la valeur peut être contrôlée par des paramètres fluidiques. Cette propriété de compliance étant très recherchée en micromanipulation, un démonstrateur exploitant les bulles de gaz a été conçu. Il s'agit d'une microtable compliante actionnée par trois bulles. Ces travaux ouvrent la voie vers de nouveaux modes d'actionnement ou de capteur utilisant la transduction entre une énergie fluidique et mécanique opérée par un ménisque capillaire. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Space-resolved stimulation of active hydrogel layers can be achieved for example by using a micro-heater array. In the current work, we present the interaction of (i) such a rigid array of heating elements that can be selectively activated and (ii) an active thermo-responsive hydrogel layer that responds to the local stimulus change. Due to the respective local actuation, (iii) the surface form of a passive top-layer can be manipulated. We present continuum-based simulative predictions based on the Temperature Expansion Model and compare them to experimental outcomes for the system.