Notre planète est pour l’essentiel recouverte par les mers et les océans, or notre connaissance des fonds marins est très inférieure à celle que nous possédons sur les terres émergées. Dans ce mémoire, nous cherchons à concevoir un système dédié à la cartographie thématique à grande échelle pour obtenir à la demande un nuage de points dense représentatif d’une scène sous-marine ou subaquatique par reconstruction tridimensionnelle. Le caractère complexe de ce type de système nous amène à privilégier une approche délibérément transversale. Nous nous intéresserons en particulier aux problématiques posées par l’étude à l’échelle des individus de petites zones en eau peu profonde. Les premières concernent l’acquisition in situ efficace de couples stéréoscopiques avec une logistique adaptée à la taille des zones observées : nous proposons pour cela un microsystème agile, peu coûteux et suffisamment automatisé pour fournir des données reproductibles et comparables. Les secondes portent sur l’extraction fiable de l’information tridimensionnelle à partir des données acquises : nous exposons les algorithmes que nous avons élaborés pour prendre en compte les caractéristiques particulières du milieu aquatique (dynamisme, propagation difficile des ondes électromagnétiques, etc.). Nous abordons donc en détail dans ce mémoire les problèmes d’appariement dense, d’étalonnage, d’acquisition in situ, de recalage et de redondance des données rencontrés dans le milieu sous-marin. / Our planet is mostly covered by seas and oceans. However, our knowledge of the seabed is far more restricted than that of land surface. In this thesis, we seek to develop a system dedicated to precise thematic mapping to obtain a dense point cloud of an underwater area on demand by using three-dimensional reconstruction. The complex nature of this type of system leads us to favor a multidisciplinary approach. We will examine in particular the issues raised by studying small shallow water areas on the scale of individual objects. The first problems concern the effective in situ acquisition of stereo pairs with logistics adapted to the sizes of the observed areas: for this, we propose an agile, affordable microsystem which is sufficiently automated to provide reproducible and comparable data. The second set of problems relates to the reliable extraction of three-dimensional information from the acquired data: we outline the algorithms we have developed to take into account the particular characteristics of the aquatic environment (such as its dynamics or its light absorption). We therefore discuss in detail the issues encountered in the underwater environment concerning dense matching, calibration, in situ acquisition, data registration and redundancy.

Les microrobots à pattes déjà réalisés par microfabrication dans le monde sont très peu nombreux. A l'heure actuelle, à notre connaissance, on en compte six, certains sont terminés, d'autres sont en cours d'étude. Cette relative rareté s'explique en partie par la difficulté que représente l'intégration d'actionneurs sur de si petites structures. Les travaux présentés ici portent sur l'étude et la réalisation de la structure mécanique et du micro-actionnement d'un microrobot à pattes. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la locomotion du microrobot et à son actionnement. Des micropattes ont été conçues, réalisées et expérimentées. Elles sont actionnées par deux bilames thermiques (en SU-8 sur Si) fonctionnant en opposition, qui leur procurent deux degrés de liberté. Les micro-actionneurs bilames thermiques ont été retenus pour leurs grandes amplitudes de déplacement, leur densité d'énergie importante et leur relative facilité de réalisation par microfabrication. La structure complète du microrobot a ensuite été réalisée de manière monolithique avec six micropattes et un corps en silicium. Ses dimensions hors tout sont de 3,5 mm de long, 6 mm de large et 0,5 mm de haut. Les expérimentations révèlent les bonnes performances de ce nouveau microrobot comparé à ceux déjà réalisés. Notamment, ce microrobot semble être le plus petit au monde possédant six pattes et se déplaçant sur un sol ne participant pas à sa locomotion. Il est aussi capable de supporter des charges importantes. La prochaine étape est l'intégration de la connectique sur le corps du microrobot. A plus long terme, on peut imaginer y intégrer son énergie, sa commande, des capteurs, voire des organes de télécommunication. Ce microrobot pourra être utilisé dans l'exploration d'environnements confinés, dans le microconvoyage ou pour l'auto-implantation de fonctions dans des systèmes complexes.

La chirurgie minimalement invasive est aujourd'hui une thématique de recherche particulièrement active. Un traitement thérapeutique ciblé et la possibilité d'établir un diagnostic précis grâce à l'utilisation de systèmes miniaturisés peuvent considérablement améliorer de nombreuses pratiques médicales. Le recours à des microrobots actionnés à distance et naviguant dans le système cardiovasculaire ouvre de nouvelles perspectives. L'objectif de cette thèse est de proposer un socle théorique solide concernant i) la modélisation d'un microrobot naviguant dans le système cardiovasculaire, ii) l'élaboration de lois de commande et d'observateurs assurant un bon suivi de trajectoire depuis la zone d'injection jusqu'à une zone cible. La modélisation du système fait intervenir de nombreuses forces : forces hydrodynamiques, forces surfaciques (électrostatique, van der Waals, stériques), forces de contact et poids apparent du microrobot. Ce microrobot est contrôlé dans le système cardiovasculaire par l'application de champs ou de gradients de champ magnétique selon le design du microrobot. La prise en compte de l'ensemble des forces aboutit à une représentation d'état sous la forme d'un système non-linéaire affine en la commande avec dérive comportant de nombreux paramètres physiologiques incertains. Une trajectoire de référence optimisée est déduite du modèle. L'approche de commande adoptée est établie à partir de critères de stabilité du système. Le système étant non-linéaire, une commande de type Lyapunov stabilisante est développée suivant une approche de type backstepping. L'estimation de certains paramètres physiologiques est rendue possible par une commande de type backstepping adaptatif. Un observateur grand gain reconstruit l'état complet du système nécessaire au calcul de la commande. La stabilité et la robustesse de l'ensemble sont établies au travers de nombreuses simulations en présence de bruits de mesure et d'erreurs paramétriques.

This thesis presents actuators used in autonomous microsystems. Characteristic for all actuators presented is the low drive voltage and the low power consumption. Different motion mechanisms have been studied and applied in various locomotion modules for microrobots. High resolution movement of a monolithic piezoceramic PZT rotational arm module, using a quasi-static motion mechanism, was demonstrated in a 10x10x20 mm3 autonomous robot. The rotational arm comprises multilayer PZT bimorphs and is fabricated by a wet-building technology. The multilayer approach enables operation of the modules at the low drive voltages provided by the robot electronics. In addition a locomotion module has been designed and fabricated based on the above principles. A three-legged locomotion module with piezoceramic unimorphs, moving by tapping the legs against the floor, has been investigated. Characteristics such as low power consumption, high velocities, low drive voltages and a high weight carrying capability were demonstrated using a resonant motion mechanism. Highly miniaturized three-legged locomotion modules were developed for a 3x3x3 mm3 autonomous microrobot. The modules comprise a multilayer structure of the electroactive copolymer P(VDF-TrFE) on a flexible printed circuit board (FPC) substrate. A novel multilayer fabrication process suitable for mass production was used. It is based on sequential deposition of spun cast copolymer with evaporated aluminum electrodes. Reactive ion etching is used to microstructure the copolymer and the FPC. The mechanical deformability of the FPC is exploited when folding the 2D FPC-multilayer assembly into 3D locomotion modules. Locomotion was demonstrated by moving a glass slider corresponding to the robot weight. A modular building technology for microsystems is presented. It uses surface mounting technology and conductive adhesives to assemble modules on a double-sided FPC. Complex geometries were achieved by subsequent folding the FPC. The feasibility of the technology was demonstrated by assembly of the 3x3x3 mm3 autonomous microrobots.

The mobility and biomedical applications of a microscale magnetic tumbling (μTUM) robot capable of traversing complex terrains in dry and wet environments is explored. Roughly 800 x 400 x 100 μm in size, the robot is fabricated using standard photolithography techniques and consists of a rectangular polymeric body with embedded NdFeB particles. Static force analysis and dynamic modeling of its motion characteristics are performed with experimental verification. Techniques for simulating the intermittent, non-contact behavior of tumbling locomotion are used to find an optimized design for the microrobot, reducing time and resources spent on physical fabrication. When subject to a magnetic field as low as 3 mT, the microrobot is able to translate at speeds of over 30 body lengths/s (24 mm/s) in dry conditions and up to 8 body lengths/s (6.8 mm/s) in wet conditions. It can climb inclined planes up to 60° in wet conditions and up to 45° in dry conditions. Maximum open loop straight-line trajectory errors of less than 4% and 2% of the traversal distance in the vertical and horizontal directions, respectively, were also observed. Full two-dimensional directional control of the microrobot was shown through the traversal of a P-shaped trajectory. The microrobot's real-time position can be accurately tracked through visual occlusions using ultrasound imaging. When applied as a coating, a fluorescein payload was found to diffuse over a two hour time period from the microrobot. Cytotoxicity tests also demonstrated that the microrobot's SU-8 body is biocompatible with murine fibroblasts. The microrobot's capabilities make it promising for targeted drug delivery and other in vivo biomedical applications.

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.

Une des conditions fondamentales de la performance des système repose sur leur capacité à généré des déplacement avec précision de positionnement élevée. Cependant, à l'échelle micrométrique, de nombreux paramètres agissent et réduisent cette précision. A cette échelle, il est également particulièrement complexe de mesurer la précision de positionnement d'un système micro ou nanorobotique et donc d'identifier les différentes sources d'imprécision. L'étalonnage géométrique des systèmes micro et nanorobotiques prenant en compte ces différents sources est rarement étudié. Pour ces raisons, l'originalité et les contribution de cette thèse portent sur deux aspects principaux (i) la caractérisation des perperformances des systèmes micro et nanorobotiques et l'analyse des paramètres affectant leur précision de positionnement (ii) l'amélioration des performances de ces robots fondés sur différents types de modèles robotiques.

Le développement récent en micro- et nanotechnologies (dans des domaines tels que l'horlogerie,l'électronique, l'optique, le biomédical, . . .) a créé un fort besoin concernant des systèmes capables de manipuler et d'assembler des objets de plus en plus petits. La conception de stations robotisées, capables de manipuler des micro-objets, s'est multipliée à travers le monde, faisant intervenir des actionneurs de haute résolution adaptés au micro monde, ainsi que de nombreux capteurs.Ce mémoire ouvre une nouvelle voie pour le développement de robots de micromanipulation. Il présente la conception, la modélisation, la fabrication et la commande d'un nouveau concept de micro robot, le DiMiBot (Digital MicroroBot). Il s'agit du premier micro robot numérique - inspiré 'e de l' 'électronique numérique - qui fait intervenir des actionneurs binaires pour générer un déplacement discret d'une grande précision sans nécessiter de capteur (en boucle ouverte). Ces actionneurs binaires extrêmement répétables et robustes (les modules bistables), assurent chacun un déplacement précis de 25 μm. Ils sont associés de manière monolithique à une architecture robotique parallèle flexible, assurant la génération d'un espace de travail discret, dont les 2N (N est le nombre de modules bistables utilisés au sein du DiMiBot) positions distincts atteignables sont parfaitement stables, répétables et robustes mécaniquement. Elles sont réparties de manière homogène dans un carré de 10,5 μm de côté La micro fabrication du premier prototype de micro robot numérique en silicium - faisant suite 'a un dimensionnement minutieux en élément finis - a été réalisé au sein de la salle blanche MIMENTO de l'institut FEMTO-ST. Ce DiMiBot possédant 4 modules bistables assure une résolution de 3,5 μm pour une répétable de chacune des 16 positions atteignables de 90 nm.

Un grand nombre de traitements sont aujourd'hui disponibles pour la cancérologie, dont l'objectif est d'éliminer tous les tissus cancéreux en minimisant les dommages occasionnés sur les tissus sains. La chimio-embolisation est considérée comme un régime de traitement localisé, préconisé pour certains cancers. Cependant, le ciblage des tumeurs profondément enfouies par chimio-embolisation est actuellement limité en raison de la taille des cathéters. Compte tenu des échelles envisagées, l'utilisation des microrobots magnétiquement guidés est l'une des approches les plus prometteuses. L'objectif de cette thèse consiste à développer les outils permettant à des microrobots endovasculaires (ou transporteurs magnétiques), de naviguer dans le corps humain, en utilisant les gradients magnétiques d'un appareil IRM clinique amélioré. Pour cela, une compréhension approfondie de l'environnement d'évolution du microrobot est une étape au préalable, en vue d'établir des stratégies de navigation adéquates. La variation des paramètres physiologiques de l'humain et l'utilisation d'un scanner IRM nécessitent d'une part, une robustesse du contrôleur vis-à-vis des erreurs de modélisation, et d'autre part, l'anticipation du comportement du système. A cet effet, la commande prédictive, trouve ici toute son efficacité pour résoudre les problèmes de poursuite. En outre, une plateforme d'instrumentation a été conçue au sein du laboratoire en vue de démontrer les concepts proposés, et de valider les stratégies de navigation prédictives développées dans nos travaux. Puis, dans un deuxième temps, nous avons intégré ces approches dans une plateforme d'IRM clinique.

Le développement récent en micro- et nano-technologies (dans des domaines tels que l'horlogerie, l'électronique, l'optique, le biomédical, . . .) a créé un fort besoin concernant des systèmes capables de manipuler et d'assembler des objets de plus en plus petits. La conception de stations robotisées, capables de manipuler des micro-objets, s'est multipliée à travers le monde, faisant intervenir des actionneurs de haute résolution adaptés au micromonde, ainsi que de nombreux capteurs. Ce mémoire ouvre une nouvelle voie pour le développement de robots de micromanipulation. Il présente la conception, la modélisation, la fabrication et la commande d'un nouveau concept de microrobot, le DiMiBot (Digital MicroroBot). Il s'agit du premier microrobot numérique - inspiré de l'électronique numérique - qui fait intervenir des actionneurs binaires pour générer un déplacement discret d'une grande précision sans nécessiter de capteur (en boucle ouverte). Ces actionneurs binaires extrêmement répétables et robustes (les modules bistables), assurent chacun un déplacement précis de 25 μm. Ils sont associés de manière monolithique à une architecture robotique parallèle flexible, assurant la génération d'un espace de travail discret, dont les 2N (N est le nombre de modules bistables utilisés au sein du DiMiBot) positions distincts atteignables sont parfaitement stables, répétables et robustes mécaniquement. Elles sont réparties de manière homogène dans un carré de10,5 μm de côté. La microfabrication du premier prototype de microrobot numérique en silicium - faisant suite à un dimensionnement minutieux en éléments finis - a été réalisé au sein de la salle blanche MIMENTO de l'institut FEMTO-ST. Ce DiMiBot possédant 4 modules bistables assure une résolution de 3,5 μm pour une répétable de chacune des 16 positions atteignables de 90 nm.