Les interfaces haptiques permettent à un opérateur d'interagir avec un environnement virtuel ou distant via le sens du toucher.La majorité des interfaces de l'état de l'art restent au contact de l’utilisateur pendant toute la durée de la manipulation. La liaison permanente entre le robot et l’opérateur nuit à la qualité de l’interaction, notamment en réduisant la transparence en espace libre. Ce problème est d’autant plus prégnant dans le cadre des interfaces haptiques dextres.Cette thèse a pour objectif d'étudier la possibilité d'augmenter la transparence et le réalisme de l'interaction à travers le développement d’interfaces à contacts intermittents. Il s’agit de déconnecter le robot de l'utilisateur lorsqu’aucun contact avec l’environnement n’est nécessaire. Un état de l’art des performances de la manipulation humaine, des interfaces haptiques dextres ainsi que des travaux relatifs au contact intermittent, est d’abord présenté. Un effecteur plan pour le contact intermittent est ensuite conçu. Il est installé à l’extrémité distale d'une interface haptique et plusieurs solutions sont envisagées pour sa loi de commande. Les performances de dix utilisateurs sont comparées dans le cadre d'une tâche de détection de contact en utilisant d'une part l'effecteur adapté au contact intermittent, d'autre part une interface haptique classique. L'élaboration d'une interface permettant une interaction plus naturelle avec l'environnement est ensuite initiée par l'élaboration d'une méthodologie de choix des zones de contact de la main à prendre en compte dans la conception d'une interface haptique. Des perspectives sont finalement données quant à l'extension de ces résultats à une interface haptique dextre à contacts intermittents. / Haptic interfaces allow an operator to interact with a virtual environment through the sense of touch. Nowadays, most existing interfaces are mechanically connected to the user's hand throughout the simulation. Therefore he or she interacts with the virtual environment by means of a handle. Thus the interaction is neither natural nor intuitive, and the permanent connection between the robot and the operator is the source of perturbations which prevent the interaction from being perfectly transparent and realistic. The goal of this study is to increase transparency as much as possible by disconnecting the robot from the user when s/he is not in contact with the virtual environment, through the design of a dexterous haptic interface allowing for a more natural interaction than with a classical interface taking into account only one contact point. A state-of-the-art of dexterous haptic interfaces and another for intermittent contact devices are first gathered, and the human performances that should be taken into account for the design of a dexterous haptic interface are analysed. A bidirectional end-effector for intermittent contact is then devised. It is set up at the tip of a haptic interface and several solutions are tested for its control. The performances of six users are compared on the context of a contact detection task, first using the intermittent contact end-effector, then using a classical haptic device. A methodology for the choice of the hand contact areas that should be taken into account in the design of a dexterous haptic interface to enhance the naturalness of the interaction is proposed. Finally, some perspectives are given as for the extension of this study for the design of a dexterous encounter-type haptic interface.

Ce travail concerne l'étude de molécules d'ADN avec un microscope à force atomique utilisé<br />en « contact intermittent ». L'objectif poursuivi est de réaliser des mesures locales d'interaction et de<br />mécanique sur une chaîne d'ADN. Le microscope est sensible aux forces d'interaction entre une pointe<br />de dimension nanométrique et l'objet ou la surface à analyser. En mode dynamique, la pointe oscille au<br />voisinage de la surface à des fréquences de quelques centaines de kilohertz et des amplitudes de l'ordre<br />de la dizaine de nanomètres. Ce comportement peut devenir non-linéaire selon l'intensité de<br />l'interaction et des conditions d'oscillation. Varier ces conditions en termes d'amplitude ou de<br />fréquence constitue une opportunité de contrôler cette interaction. Nous mettons ainsi en évidence la<br />possibilité d'imager une seule molécule d'ADN selon différents modes d'interaction : pur attractif, pur<br />répulsif et un mélange des deux. Par ailleurs, le microscope de force dynamique n'est pleinement<br />efficace que dans le cadre de la maîtrise de l'interaction de la pointe avec l'objet. La qualité de<br />l'échantillon et celle de la pointe doivent être contrôlées à l'échelle des mesures. Des expériences<br />préliminaires ont amené à retenir des substrats de silice greffés avec des molécules de silanes.<br />Concernant les molécules d'ADN, trois types de séquences ont été étudiés. Une longue chaîne de 2500<br />paires de bases (pb) comportant une succession de séquences non périodique, une séquence de 450pb<br />constituée d'Adénine sur un mono-brin et de Thymine sur le brin complémentaire et une chaîne de<br />même longueur, mais constituée d'une alternance d'Adénine et de Thymine sur chaque mono-brin. Ces<br />échantillons sont intéressants par la diversité des caractéristiques mécaniques attendues. L'exploitation<br />expérimentale des différents régimes permet de révéler des informations géométriques, mécaniques et<br />physico-chimiques sur les conformations des molécules.

Ce travail concerne l'étude de molécules d'ADN avec un microscope à force atomique utilisé en « contact intermittent ». L'objectif poursuivi est de réaliser des mesures locales d'interaction et de mécanique sur une chaîne d'ADN. Le microscope est sensible aux forces d'interaction entre une pointe de dimension nanométrique et l'objet ou la surface à analyser. En mode dynamique, la pointe oscille au voisinage de la surface à des fréquences de quelques centaines de kilohertz et des amplitudes de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Ce comportement peut devenir non-linéaire selon l'intensité de l'interaction et des conditions d'oscillation. Varier ces conditions en termes d'amplitude ou de fréquence constitue une opportunité de contrôler cette interaction. Nous mettons ainsi en évidence la possibilité d'imager une seule molécule d'ADN selon différents modes d'interaction : pur attractif, pur répulsif et un mélange des deux. Par ailleurs, le microscope de force dynamique n'est pleinement efficace que dans le cadre de la maîtrise de l'interaction de la pointe avec l'objet. La qualité de l'échantillon et celle de la pointe doivent être contrôlées à l'échelle des mesures. Des expériences préliminaires ont amené à retenir des substrats de silice greffés avec des molécules de silanes. Concernant les molécules d'ADN, trois types de séquences ont été étudiés. Une longue chaîne de 2500 paires de bases (pb) comportant une succession de séquences non périodique, une séquence de 450pb constituée d'Adénine sur un mono-brin et de Thymine sur le brin complémentaire et une chaîne de même longueur, mais constituée d'une alternance d'Adénine et de Thymine sur chaque mono-brin. Ces échantillons sont intéressants par la diversité des caractéristiques mécaniques attendues. L'exploitation expérimentale des différents régimes permet de révéler des informations géométriques, mécaniques et physico-chimiques sur les conformations des molécules.

Le microscope à force atomique (AFM) permet de caractériser avec une excellente résolution spatiale les surfaces d’échantillons de différentes natures et peut être mis en œuvre dans des milieux variés. Cette versatilité a favorisé le développement d’un grand nombre de techniques dérivées, destinées à investiguer diverses propriétés physiques locales. Le LGEP a ainsi réalisé un module, le Résiscope, capable de mesurer la résistance électrique locale à la surface d’un échantillon polarisé en continu, sur une gamme de 11 décades. Mise au point en mode contact, où la pointe exerce en permanence une force sur l’échantillon, cette technique fonctionne très bien sur des matériaux durs, mais trouve ses limites sur des échantillons mous ou fragiles puisque dans certaines conditions, la pointe peut altérer leur surface. Pour de tels échantillons, un mode contact intermittent, dans lequel la pointe vient à intervalles réguliers toucher très brièvement la surface, est plus approprié, mais complique la réalisation des mesures électriques. Le but de la thèse consistait à lever cette difficulté en modifiant le Résiscope pour pouvoir l’associer au « Pulsed Force Mode », mode intermittent où la pointe oscille à une fréquence de 100Hz à 2000Hz.Différentes évolutions matérielles et logicielles ont été apportées pour permettre le suivi temporel détaillé du signal de résistance électrique à chaque établissement/rupture de contact (indispensable pour passer en revue les phénomènes liés à l’intermittence), de même que pour pouvoir travailler à des vitesses de balayage acceptables. Pour l’imagerie, les meilleurs contrastes ont été obtenus grâce à une électronique de synchronisation et de traitement prenant en compte les valeurs de résistance électrique à des moments bien précis. Pour tester ce nouveau système, nous avons dans un premier temps comparé les courbes de résistance et de déflexion que nous obtenons par ce mode avec celles considérées classiquement dans le mode approche-retrait. Nous avons ensuite étudié l’influence des principaux paramètres (fréquence et amplitude d’oscillation, force d’appui, type de pointe, etc.) sur les mesures topographiques et électriques, en utilisant le HOPG comme matériau de référence. Ces essais ont notamment permis de mettre en évidence un retard quasi systématique du signal électrique par rapport au signal de déflexion (autre que le temps de mesure propre au Résiscope), dont nous n’avons pu élucider l’origine. Une fois ces connaissances acquises, nous avons étudié deux types d’échantillons organiques, l’un à caractère académique – des monocouches auto-assemblées d’alcanethiols (SAMs), l’autre à finalité plus applicative – des couches minces formées d’un réseau interpénétré de deux constituants (P3HT:PCBM) destinées aux cellules photovoltaïques. Dans les deux cas nous avons montré la pertinence de l’outil Résiscope en mode intermittent pour obtenir des informations qualitatives et quantitatives. Parallèlement à ces travaux sur matériaux fragiles, nous avons mené une étude annexe sur un phénomène de croissance de matière à caractère isolant constaté dans des conditions particulières sur différents matériaux durs, qui a été interprété comme la formation de polymère de friction sous l’effet des nano-glissements répétés associés à la déflexion du levier.Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d’une convention CIFRE avec la société Concept Scientifique Instruments, adossée au projet ANR « MELAMIN » (P2N 2011). / The atomic force microscope (AFM) allows to characterize with excellent spatial resolution samples of different types of surfaces and can be implemented in various environments. This versatility has encouraged the development of a large number of derivative technics, intended to investigate various local physical properties. The LGEP thus achieved a module, the Résiscope, capable of measuring the local electrical resistance on the surface of a sample polarized continuously, on a range of 11 decades. Developed in contact mode, where the tip continuously exerts a force on the sample, this technic works well on hard materials, but finds its limits on soft or fragile samples since under certain conditions, the tip can alter the surface. For such samples, an intermittent contact mode, in which the tip comes at regular intervals touch very briefly the surface, is more appropriate, but complicates the achievement of electrical measurements. The aim of this thesis was to overcome this difficulty by changing the Résiscope to be able to join the "Pulsed Force Mode", intermittent mode where the tip oscillates at a frequency of 100Hz to 2000Hz. Different hardware and software changes have been made to permit the detailed temporal monitoring of the electrical resistance signal to each make / break contact (necessary to review the phenomena related to intermittency), as well as to be able to work in acceptable scan speeds. For imaging, the best contrasts were obtained through an electronic timing and treatment taking into account the electrical resistance values at specific times.To test this new system, we have initially compared resistance and deflection curves we get by this mode with those considered classically in the force-distance curves mode. We then investigated the influence of main parameters (frequency and amplitude of oscillation, setpoint, coating of the tips, etc.) on the topographical and electrical measurements, using the HOPG as reference material. These tests resulted to highlight a nearly systematic delay of the electrical signal relative to the deflection signal (other than the Resiscope measure time), which we were not able to elucidate the origin. Once these knowledge acquired, we studied two types of organic samples, one in academic nature - Self-Assembled Monolayers of alkanethiols (SAMs), the other more applicative purpose – formed of thin layers of an interpenetrating network of two components (P3HT:PCBM) for photovoltaic cells. In both cases we have shown the relevance of the Resiscope tool in intermittent mode to obtain qualitative and quantitative information. In addition to these work on fragile materials, we conducted an annex study on a phenomenon of growth material of insulating nature found in special conditions on various hard materials, which has been interpreted as the friction polymer formation as a result of repeatedly nano-sliding associated with the deflection of the cantilever. These investigations were conducted under a CIFRE agreement with the Concept Scientific Instruments company, backed by the ANR MELAMIN» (P2N 2011) project.