Geckos are famous for the skill of switchable adhesion that they use to stick on various surface while keep their fingers super clean. In the dissertation, a unique mechanism was discovered to explain gecko self-cleaning phenomena. Using atomic force microscopy (AFM), we managed to compare the microparticle-substrate adhesion and the microparticle-seta adhesion with a single seta bonded to the AFM cantilever. A dynamic effect was approved that high pulling-off speed could increase the microparticle-substrate adhesion and thus the self-cleaning appears at high moving speed. Based on the self-cleaning theory, a gecko-inspired N-doped graphene surface with switchable adhesion was achieved, which was designed into a bio-inspired micromanipulator with a success rate over 90%. When electrical bias was applied on this biomimetic surface, the charge concentration induced an electrical double layer (ELD) on the convex surfaces, which attracts polar water molecules to form a water bridge on it, significantly enhancing the adhesion on the wrinkled graphene surface, mimicking the capillary force on beetle feet. Therefore, the bio-inspired adhesive surface can be controlled with speed, electrical bias, humidity and different material surfaces. The water attraction phenomenon on the polarized surface was further tested for the potential application of water collection and evaporation in microsystems.

Ionic polymer materials are a class of electroactive polymers that have been used in recent applications that take advantage of their large bending deflection. Although these materials have been around since the 1960s, it has only been in the last decade that their electromechanical coupling has been discovered. Because their life as a transducer has been relatively short, the underlying mechanisms for their mechanical motion have not yet been fully characterized. Modeling has been performed with ionic polymers, but there is no existing model, to date, that explains all the physical phenomena associated them. The work presented in this document will contribute to the characterization of these materials. To better understand the dehydration effect of ionic polymers operating in an open air environment, research was performed to help characterize this effect. Through the use of frequency response analysis, trends were established showing how the material's response characteristics varied with time, as the polymer dehydrated. These tests were also run at different humidity levels to assess the impact environmental conditions had on the response. It was shown that lower humidity levels cause the system parameters to shift at a higher rate. The two configurations tested were clamped-free and clamped-clamped, in an effort to bound the performance of the actuators for engineering applications. The clamped-clamped condition also facilitated applying tension to the polymers for evaluation of the dehydrating effects. Several comparisons to beam theory were made throughout the analysis, using it as a baseline condition illustrator. Though qualitative results were obtained with the polymers, there was much discrepancy in quantitative measures. This was to be expected though, because ionic polymers are composite actuators that exhibit nonlinear behavior, while uniform beams are linear. Environmental testing was not all that was done, however. Control techniques were applied to improve the closed-loop performance of the actuators. Using proportional-integral control, it was demonstrated that ionic polymers are capable of tracking reference inputs better than it was previously thought. This result will validate future experimentation with ionic polymers for micro-manipulation applications. The simplicity of integral control also eliminated the need for cumbersome model derivations and control system designs, reducing the time necessary to implement and test an actuator. Through the use of this control algorithm, the closed-loop bandwidth was also characterized for the cantilever and clamped-clamped polymers. / Master of Science

L’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux robots qui combinent dextérité, compacité et précision afin de réaliser des tâches de micromanipulation complexes dans des environnements confinés. Ainsi, deux architectures robotiques parallèles ont été développées. La première est un poignet à 4 degrés de liberté (DDL) en rotation et la seconde est un robot redondant à 7 DDL. Les deux structures intègrent la fonction de préhension grâce à une plateforme configurable et un actionnement déporté. L’étude géométrique et cinématique des deux robots ainsi que des résultats expérimentaux validant les deux architectures sont présentés. Pour miniaturiser le robot à 7 DDL, les liaisons mécaniques (rotules) ont été remplacées par des liaisons en élastomère (PDMS). Cette solution permet, entre autres, d’éliminer les jeux mécaniques au niveau des articulations tout en gardant une grande plage de déplacement. Cependant, comme le comportement de telles articulations ne correspond pas parfaitement à des liaisons rotules, un modèle de robot prenant en compte le comportement élastique de ces articulations a été développé. Afin de réaliser la structure à l’échelle désirée (jambes et liaisons à 400 µm de côté), un nouveau processus de micro-fabrication en salle blanche a été développé. Contrairement aux méthodes existantes, le nouveau processus permet de réduire le nombre d’étapes de gravure et d’intégrer différents types d’élastomères à des microstructures robotiques en silicium. Enfin, le micro-robot a été réalisé et les capacités de déplacement dans les 6 DDL en plus de la préhension ont été validées. Les applications visées des robots développées dans cette thèse sont le micro/nano-assemblage, la manipulation de cellules biologiques et la chirurgie mini-invasive, notamment en neurochirurgie. / The objective of this thesis is the development of new robots that combine dexterity, compactness and precision to perform complex micromanipulation tasks in confined environments. Thus, two parallel robotic structures have been developed. The first is a wrist that can insure 4 degrees of freedom (DOF) in rotation and the second is a redundant robot with 7 DOF. Both structures integrate the grasping function thanks to a configurable platform and a deported actuation. The kinematic study of the two robots and the experimental results validating the two architectures are presented. To miniaturize the 7 DOF robot, the mechanical joints (spherical) have been replaced by elastomeric articulations (PDMS). This solution allows, among others, to eliminate the mechanical backlash in the joints while keeping a large range of movements. However, as the behavior of such joints does not correspond perfectly to spherical joints, a model for the robot taking into account the elastic behavior of these joints has been developed. In order to made the structure on the desired scale (the cross sectional side of its legs and connections are 400 µm), a new microfabrication process in the clean room has been developed. Unlike the existing methods, the new process reduces the number of etching steps and allow the integration of different types of elastomers into silicon robotic microstructures. Finally, the micro-robot was realized and the displacement capacities in the 6 DOF with the grasping were validated. The targeted applications by the developed robots in this thesis are micro / nano-assembly, manipulation of biological cells and minimally invasive surgery, particularly in neurosurgery.

Dans le domaine des nanosciences, la manipulation directe des objets par l'opérateur est impossible, à cause notamment de leur taille, des champs de forces complexes et non intuitifs, ainsi que de la très grande sensibilité des systèmes aux conditions environnementales. La téléopération avec retour d'effort apparaît donc comme une solution prometteuse pour les nanosciences alliant intuitivité de manipulation et flexibilité. Pour obtenir des dispositifs complets, permettant la conception, la fabrication, et l'analyse de systèmes aux propriétés inédites, deux outils principaux sont nécessaires : les systèmes de manipulation robotisés, et les simulateurs. Les problématiques de la téléopération pour ces deux outils sont similaires, et comportent notamment des problèmes importants de transparence du fait des champs de forces complexes qui doivent être retournés aux utilisateurs, et de stabilité du fait de la réduction d'échelle. Dans l'état actuel des développements, que ce soit pour la téléopération d'objets réels ou virtuels, il n'existe pas de systèmes complets, utilisables pour réaliser des manipulations complexes. Les applications se limitent le plus souvent à de simples démonstrations de faisabilité. Pour obtenir des systèmes avec une large gamme d'applications, plusieurs points doivent être abordés : - la maîtrise de l'influence de la réduction d'échelle sur les schémas de commande, et l'adéquation entre les performances des couplages et les applications recherchées, notamment en termes de transparence et de stabilité, - la définition de stratégies adaptées aux contraintes technologiques des systèmes de manipulation, - l'utilisation de solutions adaptées pour s'affranchir du compromis fort entre stabilité, facilité de manipulation et qualité du ressenti haptique dû à la différence d'échelle. Les premières téléopérations complexes à l'échelle nanoscopique ont pu être menées en prenant en compte les points précédents. Des opérations de ressenti des interactions nanoscopiques ont été réalisées, et des billes de quelques micromètres ont été manipulées, par roulement ou par saisie-dépose. Cette dernière manipulation est la première téléopération 3D complexe avec retour d'effort sur des objets microscopiques. Pour la simulation, un système de téléopération moléculaire avec un large champ d'application, comprenant notamment la modification globale de systèmes moléculaires, la recherche d'états caractéristiques ou encore la déformation de molécules, a été développé. Ce travail n'est que le premier pas vers l'utilisation de la téléopération à l'échelle nanoscopique pour des manipulations complexes, mais il montre la faisabilité et l'intérêt de cette approche pour les nanosciences.

<p>Microfluidics has established itself as a key technology in a wide range of fields including pharmaceuticals, point-of-care diagnostics, thermal management, and space technology. Most of these applications involve manipulation of small quantities (micro – nanoliters) of fluids and various particles or biological cells suspended in them. These platforms employ mechanical, thermal, acoustic, magnetic, optical, electric and many other means for creating particle and fluid motion. Many biological applications require handling cells that are vulnerable to getting damaged if proper physiological conditions are not maintained or if excessive force is applied on them. The non-invasive nature of optical and electrical micro-manipulation techniques such as rapid electrokinetic patterning (REP) has proven to be of great importance in such applications. These techniques enable handling, transportation, sorting and arrangement of fragile synthetic micro/nanoparticles and biological cells without compromising their structure and surface properties.</p> <p>REP is a recently developed micro-manipulation tool that employs optically induced electrothermal vortices to create custom flow patterns. Particle suspensions are entrained in these vortices and are trapped on an electrode surface through AC electrokinetic mechanisms. This work focuses on characterizing a REP trap and discusses its potential applications in handling biological cells. Polystyrene microparticles are confined in a REP trap and a MATLAB program is used to track their motion inside the trap. The tracked particle trajectory reveals that the potential energy of the trapped particle is parabolic and hence the trap is Hookean in nature. The trap is modelled as a spring-mass system and the stiffness coefficient of that system is found to be of the order of 10^-15 N/μm. The origin of the restoring force in the spring-mass model is found to be the drag force created by the electrothermal vortex. The ability to exert ultra-small forces in a stable trap enables REP to be used in various non-invasive particle manipulation applications.</p> <p>The transient nature of REP is studied using numerical modeling and particle image velocimetry (PIV) analysis of a vortex created by a moving laser spot. A numerical model suggests that custom-shaped steady state REP vortices can be created via superposition of multiple axisymmetric circular shaped vortices. However, the method of superposition cannot be extended to transient traps and a more involved 3D model is required to simulate them. The laser spot is scanned back-and-forth in a line with different speeds to create transient REP vortices. The PIV analysis, in agreement with the numerical model, shows that the location of the moving vortex is undiscernible at high speeds. Moreover, the circular shaped vortex is stretched out into a line when the laser scanning frequencies are more than 15 Hz.</p> <p>The particle-electrode attraction force, which entraps the particles at the electrode surface, is characterized using particle diffusometry (PD) and defocusing particle tracking. PD is used to measure the diffusion coefficient of polystyrene particles under different electric field parameters near an electrode surface. It is found that the particle diffusivity decreases with a decrease in the electric field frequency from 150 – 30 kHz and with an increase in the applied voltage from 4 – 8 V_pp. A MATLAB program is used to track the number of in-focus particles and their distance from the electrode surface. A histogram of the particles’ distance from the electrode surface shows an increase in the particle concentration near the electrode at low frequencies (30 – 60 kHz). These observations suggest that the average height of an entrapped particle decreases with a decrease in applied field frequency and an increase in applied voltage. This suggests that the attractive trapping force is significant at 30 kHz but diminishes at around 150 kHz.</p> <p>Salt and sugar-based isotonic media used for cell suspensions pose several challenges for electrokinetic mechanisms such as REP. Various solutions to overcome these challenges for bio-manipulation applications are discussed in this work. The presence of DC offset in the AC electric field is found to enhance particle entrapment in sugar-based media. The effect of DC offset on trapping performance in bio-relevant media is assessed by measuring the stability of the REP trap. This work also shows entrapment and manipulation of Mice pancreatic cancer cells (KPC2) suspended in the sugar-based isotonic media using REP. The biological applications of the REP technology are highly promising, but they have not yet been well-explored. This work lays the foundation of understanding how REP can be operated in high osmolarity media for bio-manipulation applications.</p>

The exploration of Microelectromechanical systems (MEMS) represents a crucial aspect in the advancement of modern science and technology. They offer low-cost solutions to miniaturize numerous devices. The increasing use of MEMS applications in biological research has created a pressing need for reliable micromanipulation tools. In this context, microgrippers have emerged as promising tools for the precise handling and characterization of biological samples. This thesis presents a novel biocompatible microgripper that utilizes electrothermal actuation integrated with a rotary capacitive position sensor. To overcome the limited displacement possibilities associated with electrothermal actuators, this microgripper incorporates conjugate surface flexure hinges (CSFH). These hinges enhance the desired tweezers output displacement. The designed microgripper can in principle manipulate biological samples ranging in size from 15 to 120 μm. Based on the sensitivity calculation of the rotary capacitive position sensors, the sensitivity of the displacement measurement is 102 fF/μm. By employing a kinematics modeling approach based on the pseudo-rigid-body method (PRBM), an equation for the displacement amplification factor is developed, and this equation is subsequently verified through FEM-based simulations. By comparing the amplification ratio value obtained from the analytical modeling and simulations, there is an excellent match, with a relative difference of only ~1%, thus demonstrating the effectiveness of the PRBM approach in modeling the kinematics of the structure under investigation. In addition to this, by using analytical modeling based on finite elements method (FEM), the design of the electrothermal actuator and the heat dissipation mechanism is optimized. FEM-based simulations are used to validate the theoretical modeling, demonstrating good agreement between the displacements derived from analytical modeling and simulations. The temperature difference (∆T) across a range from room temperature to 278°C exhibits a relative difference of ~2.8%. Moreover, underpass technology is implemented to ensure that electrical signals or disturbances from other parts of the device, such as the electrothermal actuation system, do not interfere with the operation and integrity of the gripping mechanism. Ultimately, the microgripper is fabricated using conventional MEMS technology from a silicon-on-insulator (SOI) wafer through the deep reactive ion etching (DRIE) technique. The integration of theoretical modeling, simulations, and practical fabrication highlights a compelling approach that has the potential for transformative applications in the field of micromanipulation and biological sample handling. Furthermore, we propose a C-shaped structure with a curved beam mechanism to improve the movement provided by the thermal actuators. The design of experiment (DOE) method is used to optimize the geometrical parameters of our proposed device. Analytical modeling based on Castigliano's second theorem and finite element method (FEM) simulations are used to predict the behavior of the symmetrical C-shaped structure; the results are in good agreement. The MEMS-based rotational structures are fabricated on silicon-on-insulator (SOI) wafers using bulk micromachining and deep reactive ion etching (DRIE). The fabricated devices are tested; our findings reveal that our proposed MEMS rotational structure outperforms the symmetrical lancet structure by 28% in terms of delivered displacement. Furthermore, the experimental results agree well with those obtained through numerical analysis.

Ce mémoire décrit la conception, la modélisation et la commande d’un manipulateur pneumatique,fondé sur un principe de traction aérodynamique original. De puissants jets d’air verticauxpermettent de créer un flux d’air horizontal pour manipuler des objets sans contact. Les objetssont maintenus en constante lévitation sur la surface grâce à un coussin d’air, et peuvent positionnés selon trois degrés de libert´ du plan, grâce à la combinaison adéquate et distribuéede jets d’air verticaux. Nous détaillons la conception d’un prototype original de manipulateurexploitant ce principe fluidique. Ce prototype a été intégré dans une plate-forme expérimentaleafin de valider le principe de manipulation : le système permet de déplacer des objets à unevitesse atteignant 180 mm/s. Nous avons modélisé le fonctionnement de la surface selon plusieursméthodes. Un premier modèle comportemental, fond´e sur des données expérimentales, aété établi. Il permet de simuler l’´evolution de la position d’un objet sur la surface, selon un degréde liberté . Deux modèles de connaissance, fond´es sur une étude aérodynamique fondamentale,donnent l’´evolution de la position de l’objet selon respectivement deux et trois degrés de libertédu plan. Chacun des modèles a été validé expérimentalement. Nous avons synthétisé différentscontrˆoleurs afin d’asservir la position de l’objet : un premier, de type PID, et un second, de typerobuste (méthode H1). La commande de un, puis deux degrés de liberté du système, a permisd’atteindre de bonnes performances : temps de réponse d’environ 2 s et dépassement souventinférieur à 5%. Nous avons également étudié un micro-manipulateur pneumatique permettant ded´eplacer des objets de taille millimétrique selon deux directions, grâce à des jets d’air inclinés.Ces objets peuvent atteindre des vitesses de 123 mm/s. La résolution du positionnement estinférieure à 0.4 μm. / This thesis presents the design, the modeling and the control of a pneumatic manipulatorbased on an original aerodynamic traction principle. An horizontal air flow is induced by strongvertical air jets in order to manipulate objects without contact. The objects are maintained inconstant levitation on an air cushion. Three degrees of freedom positioning of the objects canbe realized thanks to the right combination of distributed air jets. The design of an originalmanipulator using this aerodynamic principle is detailed. The device has been integrated in anexperimental setup in order to validate the manipulation principle : objects can reach velocityof 180 mm/s. Several models of the system have been established. A first model, based on experimentaldata, gives the evolution of the 1 DOF-position of an object on the device. Twoother models, based on a fundamental aerodynamic study, respectively give the evolution of the2- and 3-DOF position of the objet. The three models have been validated experimentally. Inorder to control the position of the object, different controllers have been designed : a PID oneand a robust H1 one. The control of one and two degrees of freedom of the device gives goodperformances : settling time of around 2 s and overshoot less than 5% in most of the cases. Wehave also studied a micro-manipulator that is able to position millimetric sized objects, in twodirections, thanks to inclined air jets. Objects can reach velocity of 123 mm/s, and the resolutionof the positioning is less than 0.4 μm.

Nous présentons dans ce manuscrit la réalisation et la caractérisation d'une double pince optique,<br />nous permettant de pratiquer des micromanipulations à l'échelle de la molécule unique sur des surfaces<br />opaques, et de mesurer des forces jusqu'à une vingtaine de piconewtons.<br />Ce montage est d'abord utilisé pour déposer sur des électrodes de mesures des molécules uniques<br />d'ADN , afin d'en explorer les propriétés de transport de charges (propriétés d'intérêts technologiques<br />dans le cadre de l'électronique moléculaire). Nous n'avons observé aucun courant dû à la présence de la<br />molécule. Nous concluons pour la résistance des brins d'ADN de 70 nm de long à une borne inférieure de<br />10^11 Ohm en solution, et de 10^13 Ohm à sec.<br />Nous présentons de plus des mesures de forces sur un système d'intérêt biologique : le dégrafage d'un<br />fragment de l'ARN ribosomique 23S de la bactérie Escherichia coli. Cette étude préliminaire nous a<br />permis d'arriver à des conclusions en accord avec d'autres expériences du même type.

Les nanosciences s'intéressent de plus en plus aux forts potentiels des objets surfaciques. Isolé récemment, le graphène en constitue un très bon exemple. Fort d'une résistance mécanique supérieure à celle de l'acier et d'une conductivité très élevée, il apparaît comme un candidat prometteur pour de nombreuses applications. Cependant, l'utilisation et l'exploitation de ce type d'objet requièrent une étude approfondie pour comprendre leurs comportements physiques. Par définition les objets surfaciques ont une géométrie assimilable à une structure plane comme un film ou une membrane. Ils possèdent deux dimensions de taille micrométrique nettement supérieures à la troisième de taille nanométrique. Les objets surfaciques maximisent donc leurs surfaces de contact. Comme le micromonde est largement dominé par les forces surfaciques, ces échantillons maximisent les forces d'adhésion avec un substrat. Leurs études passent donc par la capacité à transférer, à observer et à caractériser cette classe d'échantillons. Cette thèse s'articule autour de ces 3 points clefs : la mise au point d'une méthode robotisée de transfert de films fins sous microscopie optique; la conception d'une plateforme multi-outils de caractérisation sous microscopie électronique et également d'outils pour améliorer l'observation sous cette microscopie; la caractérisation en raideur de membrane comme illustration des développements proposés. Cette thèse montre les difficultés inhérentes aux objets surfaciques mais aussi leurs forts potentiels. Par extension, elle démontre l'importance de posséder des outils adaptés à cette classe d'échantillons. En fin, elle montre la faisabilité des approches robotiques retenues et ouvre de nombreuses perspectives à partir des outils développés pour les différentes phases d'études de ces membranes.

Ce mémoire décrit la conception, la modélisation et la commande d'un manipulateur pneumatique, fondé sur un principe de traction aérodynamique original. De puissants jets d'air verticaux permettent de créer un flux d'air horizontal pour manipuler des objets sans contact. Les objets sont maintenus en constante lévitation sur la surface grâce à un coussin d'air, et peuvent être positionnés selon trois degrés de liberté du plan, grâce à la combinaison adéquate et distribuée de jets d'air verticaux. Nous détaillons la conception d'un prototype original de manipulateur exploitant ce principe fluidique. Ce prototype a été intégré dans une plate-forme expérimentale afin de valider le principe de manipulation : le système permet de déplacer des objets à une vitesse atteignant 180 mm/s. Nous avons modélisé le fonctionnement de la surface selon plusieurs méthodes. Un premier modèle comportemental, fondé sur des données expérimentales, a été établi. Il permet de simuler l'évolution de la position d'un objet sur la surface, selon un degré de liberté. Deux modèles de connaissance, fondés sur une étude aérodynamique fondamentale, donnent l'évolution de la position de l'objet selon respectivement deux et trois degrés de liberté du plan. Chacun des modèles a été validé expérimentalement. Nous avons synthétisé différents contrôleurs afin d'asservir la position de l'objet : un premier, de type PID, et un second, de type robuste (méthode H1). La commande de un, puis deux degrés de liberté du système, a permis d'atteindre de bonnes performances : temps de réponse d'environ 2 s et dépassement souvent inférieur 'a 5%. Nous avons également étudié un micro-manipulateur pneumatique permettant de déplacer des objets de taille millimétrique selon deux directions, grâce à des jets d'air inclinés. Ces objets peuvent atteindre des vitesses de 123 mm/s. La résolution du positionnement est inférieure 'a 0.4 μm.