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.

La force de diélectrophorèse (DEP) est utilisée pour manipuler, séparer et positionner différent types des particules (cellules, bactéries, nanotubes de carbone). Dans le but d'étudier et de simuler une loi de commande permettant le suivi de la trajectoire d'une particule soumise à la force DEP un modèle est nécessaire. Les méthodes utilisées pour simuler la force DEP sont généralement basées soit sur des simulateurs à éléments finis (FEM), soit sur des équations analytiques. Les simulateurs FEM ne permettent pas la variation des paramètres (tensions électriques) lors du calcul de la trajectoire et les équations analytiques sont limitées à des géométries simples des électrodes. Dans ce manuscrit, une méthode hybride basée sur les calculs FEM et analytique est proposée. Cette méthode permet de simuler la trajectoire d'une particule en utilisant des géométries complexes et en variant les tensions électriques lors de la simulation. Ce modèle est ensuite validé en le comparant à des relevés expérimentaux. Finalement, une loi de commande, basée sur la commande prédictive généralisée (GPC) est proposée dans le but de contrôler la trajectoire, en profitant de la grande dynamique du déplacement de la particule, et ce malgré les non-linéarités. Cette loi de commande a été validée par des résultats de simulations et une comparaison avec une loi de commande classique.

La téléopération est un moyen unique pour interagir aux échelles micro et nanoscopique où la perception sensorielle de l'homme a dépassé ses limites. Des applications comme la conception de micro/nanosystèmes ou l'enseignement des nanotechnologies peuvent trouver leur expression dans ce thème prometteur de recherche. Cette thèse aborde la problématique de la perception et d'une interface haptique pour les nanosciences, sous l'angle des utilisateurs potentiels. Les points clés de ce travail se déclinent en deux parties. La première décrit une analyse détaillée de la perception utilisateur à l'aide d'un ensemble d'évaluations, dans un premier temps sur des expériences ciblées tâche (où la perception des phénomènes n'est pas primordiale comparée à la résolution de la tâche), puis sur d'autres orientées compréhension des phénomènes dans une démarche pédagogique. Le cœur de ce travail d'analyse s'articule autour de la définition d'une plate-forme de simulation, et la recherche d'assistances haptiques dédiées à des stratégies complexes de manipulation et d'analogies comportementales pour la compréhension de la microscopie à force atomique. La deuxième partie aborde la conception d'une interface haptique à haute fidélité pour l'échelle nanoscopique. Une nouvelle approche d'actionnement est proposée, où deux moteurs sont couplés visqueusement afin d'obtenir une interface à large plage dynamique et à faible inertie. Les deux prototypes réalisés montrent que ce système peut approcher voire dépasser les besoins dérivés des capacités motrices et perceptuelles de la main humaine.

La fécondation avec micro-injection du spermatozoïde est une technique d'aide médicale à la procréation. Afin de faciliter la tâche des médecins et d'augmenter le taux de réussite de cette technique (30 %), il est nécessaire d'automatiser certaines étapes du processus. Nous proposons de réaliser le transfert automatique de cellule. Les cellules se déplacent en milieu biologique dans un microcanal qui alimente les zones de travail. Elles sont poussées par une particule ferromagnétique, appelée pousseur, de taille des cellules et qui suit les mouvements d'un aimant disposé à l'extérieur du canal. Les travaux présentés dans cette thèse exposent la modélisation complète du comportement dynamique du pousseur. Cette modélisation est décomposée en trois blocs fonction qui déterminent successivement la valeur de l'aimantation interne, les efforts subis et la trajectoire du pousseur. L'intérêt de cette modélisation est que nous pouvons reproduire la trajectoire d'un objet ferromagnétique plan en fonction des variations du champ magnétique environnant. Le fait de réduire le champ d'application de la modélisation à des objets plan nous permet d'obtenir un résultat répondant à nos critères d'utilisation dans un temps de calcul nettement inférieur à celui d'une application telle que Flux3DR. L'utilisation du modèle a mis en évidence l'influence des caractéristiques géométrique et magnétique des éléments actifs sur le comportement général du pousseur. Le dispositif expériemental développé a permis de déplacer des billes en verre de 200 micromètres de diamètre en mode télé opéré et en boucle ouverte ainsi que des ovocytes humains de 150 micromètres de diamètre en mode télé opéré.

Giardia duodenalis é um protozoário de distribuição mundial responsável por causar infecções entéricas em uma grande variedade de mamíferos, incluindo os humanos. Mesmo apresentando pouca variação em sua morfologia, os isolados podem ser diferenciados, de acordo com análises de proteína e polimorfismo de DNA, em pelo menos oito agrupamentos genéticos distintos, denominados assemblages (A-H). Apenas os assemblages A e B têm sido reportados em humanos e outros mamíferos. Isolados de assemblage A podem, ainda, ser divididos em quatro sub-assemblages (AI, AII, AIII e AIV). Sequencias heterogêneas têm sido frequentemente identificadas em estudos de caracterização molecular envolvendo amostras contendo múltiplos cistos do parasita. Buscando estudar a ocorrência dos eventos de heterozigose de sequencia alélica (ASH) e recombinação gênica, o presente trabalho teve como objetivo isolar cistos de G. duodenalis empregando-se a técnica de micromanipulação e caracterizá-los molecularmente através da análise multilócus envolvendo os genes gdh, tpi, orfC4 e bg. Dez cistos foram individualizados e utilizados na pesquisa. Todos foram igualmente identificados por todos os genes, nove cistos caracterizados como assemblage AII e um cisto caracterizado como assemblage B. Os cromatogramas oriundos do cisto identificado como assemblages B apresentaram diversos sítios heterogêneos nos genes gdh, bg e orfC4, sendo que, nesses dois últimos, observaram-se sobreposições dos alelos AII e B no produto sequenciado (heterozigose inter assemblage). Os produtos de PCR foram clonados e as sequencias obtidas revelaram a ocorrência dos dois alelos neste único cisto. Os sítios polimórficos encontrados nas sequencias do gene gdh indicaram heterozigose intra assemblage B. Embora ASH já tenha sido relatada em cistos individualizados de G. duodenalis, estes são os primeiros resultados indicando a presença dos dois alelos, simultaneamente, em um único indivíduo. Esses resultados demonstram fortes evidências que ocorre troca genética entre indivíduos geneticamente distintos de G. duodenalis / Giardia duodenalis is a worldwide distribution enteric protozoan responsible for causing infections in a wide variety of mammals, including humans. Even showing little change in their morphology, isolates can be distinguished, according to the analysis of proteins and DNA polymorphisms in at least eight distinct genetic groups, known assemblages (A - H). Only assemblages A and B have been reported in humans and other mammals. Isolates of assemblage A also can be divided into four sub-assemblages (AI, AII, AIII and AIV). Heterogeneous sequences have been frequently identified in studies involving molecular characterization of samples containing multiple cysts of the parasite. Seeking to study the occurrence of allelic sequence heterozygosity (ASH) and genetic recombination events, the present study aimed to isolate G. duodenalis cysts employing the micromanipulation technique and characterize them molecularly through multilocus analysis involving gdh, tpi, orfC4 and bg genes. Ten cysts were individualized and used in the research. All cysts were equally identified for all genes; nine cysts were characterized as assemblage AII and one characterized as assemblage B. The chromatograms derived from the cyst identified as assemblage B presented many heterogeneous sites in gdh, bg and orfC4 genes, and in these last two, there were overlaps of alleles AII and B in the sequenced product (heterozygous inter assemblage). PCR products were cloned and the sequences obtained revealed the occurrence of two alleles at this single cyst. The polymorphic sites found in the sequences of the gdh gene indicated intra heterozygosity assemblage B. Although ASH has already been reported in G. duodenalis individualized cysts, these are the first results indicating the presence of two alleles simultaneously in a single individual. These results demonstrate strong evidence that genetic exchange occurs between individuals genetically distinct of G. duodenalis

De acordo com a literatura recente, a eletroquímica de partículas magnéticas e fenômenos de colisões em superfícies eletródicas resultam em curvas voltamétricas e amperométricas com perfis completamente destoados do convencional. Alguns modelos teóricos propõem explicações, no entanto, ainda se observa a necessidade de aquisição de mais dados experimentais. Visando contribuir com esta área, esta Dissertação de Mestrado aborda a manipulação de micropartículas e nanopartículas de magnetita modificadas com azul da Prússia (Fe3O4-PB), bem como o estudo das propriedades eletroquímicas das partículas na presença de um campo magnético externo. Filmes constituídos por micropartículas sobre eletrodos de carbono (grafite) foram obtidos por duas técnicas distintas, drop coating e magneto-deposição. Para ambos os métodos, os filmes apresentaram dois picos nos voltamogramas, um de oxidação (0,12 V) e outro de redução (-0,05 V), que estão associados ao par redox azul da Prússia/branco da Prússia. Para o filme obtido via drop coating, observaram-se correntes de pico mais elevadas. Também, micropartículas de Fe3O4-PB individuais foram isoladas (single particle) com auxílio de um microscópio óptico e analisadas por voltametria, onde se verificou o aparecimento de picos com os mesmos valores de potenciais. Utilizando os dois estados de comutação de campo (0,2 Tesla), ligado e desligado, foi possível controlar a presença e a ausência da partícula no eletrodo. Também, observaram-se diferenças nos valores de densidade de corrente nos cronoamperogramas para cada micropartícula de Fe3O4-PB e que a morfologia da micropartícula interfere significativamente na resposta eletroquímica. Por fim, e agora se tratando da eletroquímica de nanopartículas de Fe3O4-PB sobre um ultramicroeletrodo (UME) de ouro, controlaram-se as colisões das mesmas em diferentes condições experimentais, como na presença e na ausência de um campo magnético externo paralelo a superfície do eletrodo e com intensidades variadas (0,1 e 0,2 Tesla). Na ausência do campo, as nanopartículas que chegaram ao UME colidiram e se acumularam, gerando sinais eletroquímicos do tipo corrente staircase. Na presença de um campo de 0,1 T, observaram-se vários transientes de correntes (spikes) associados às colisões das nanopartículas, eventos esses não observados frequentemente na presença do campo de 0,2 T. Assim, esses resultados abrem a discussão da necessidade de se aperfeiçoarem os modelos que explicam os perfis das curvas voltamétricas e amperométricas para esses sistemas. / According to recent literature, the electrochemistry of magnetic particles and collision phenomena on surfaces result in unconventional voltammetric and amperometric responses. Some theoretical models has been proposed; however, experimental data are required for improve that. In order to contribute to this research area, this Master\'s Dissertation describes the manipulation of microparticles and nanoparticles of magnetite modified with Prussian blue (Fe3O4-PB), as well as the study of electrochemical properties of them in presence of an external magnetic field. Carbon (graphite) electrodes modified with microparticles were obtained by using two different techniques, (i) magneto-deposition and (ii) drop coating. For both, two peaks in the voltammograms were observed, related to oxidation (0.12 V) and reduction (-0.05 V), which are associated with redox couple Prussian blue / Prussian white. Higher peaks currents were observed for the film obtained via drop coating. Also, individual Fe3O4-PB microparticles (single particles) were isolated by using an optical microscope and analyzed by voltammetry, where there was the appearance of peaks with the same potential values. However, using two commutations magnetic states, \"switch on\" and \"switch off\", it was possible to monitor the presence and the absence of the particle on electrode. Also, there were differences in the values of current density in the chronoamperograms for each Fe3O4-PB microparticle, and the morphology of the microparticle significantly interfered in the electrochemical response. Finally, it was performed several electrochemical experiments regarding to collisions of Fe3O4-PB nanoparticles on a gold ultramicroelectrode. Controlled collisions in different experimental conditions were carried out, such as in the presence and absence of an external magnetic field parallel to the surface electrode, and also with intensities fields of 0.1 and 0.2 Tesla. In the absence of the field, the nanoparticles reached the UME and collided, resulting in electrochemical signals of this type staircase, due to accumulation of them. On the other hand, in the presence of a 0.1 T, we observed several transient currents (spikes) associated with the collisions of the nanoparticles. These events were not observed in the presence of the field of 0.2 T. Thus, these findings allow us to the discussion for improvements on the models for these systems, in order to explain the profiles of voltammetric and amperometric responses.

Des études récentes sur les facteurs humains ont montré certaines limitations des téléopérateurs à appréhender et à maîtriser les interactions lors de la manipulation d'objets à l'échelle micrométrique et nanométrique. Le problème majeur provenant de la valeur importante des facteurs d'échelle reliant l'opérateur à son environnement (position : 10-9 m et force : 10-6 N), de l'inadéquation des moyens d'observation et d'interaction par rapport au contexte naturel d'action de l'opérateur, où encore, de la méconnaissance de l'opérateur des forces d'adhésion à l'échelle micrométrique. De ce fait, l'interfaçage homme-machine joue un rôle prépondérant dans les systèmes de télé-micromanipulation. Des interfaces et des dispositifs ergonomiques adaptés aux modalités sensorielles de l'opérateur humain doivent donc être recherchés.<br />Nos travaux de recherche se sont orientés vers l'amélioration du triptyque " Perception -Communication - Interaction " entre l'opérateur et le micromonde en incluant de nouveaux moyens d'interaction. Ces nouvelles interfaces homme- machine (IHM) ont pour rôle d'assister l'opérateur dans ses tâches de manipulation en lui fournissant une aide contextuelle et parfaitement bien adaptée aux contraintes du micromonde (effets d'échelle, environnement, tâches, etc.). Dans ce contexte, nous<br />avons développé une interface homme-machine intuitive et multimodale, dédiée à la télémicromanipulation d'objets de taille micrométrique et travaillant sous le champ de vue de plusieurs microscopes optiques.

Le développement de la biologie cellulaire nécessite la mise en place de moyens de micromanipulation de cellules en laboratoire. Les cellules biologiques étant de taille microscopique, l'étude de leur manipulation relève de la microrobotique et plus particulièrement de la micromanipulation. Les travaux de thèse présentés ici ont abouti à la mise au point d'un dispositif permettant de pousser des cellules contenues dans un milieu aqueux sur une lamelle de verre. Le pousseur de cellules est un élément ferromagnétique microscopique qui suit le déplacement d'un aimant permanent situé sous la lamelle de verre. Les pousseurs utilisés sont construits à base de nickel électroformé et possèdent des tailles allant de 10x10x5 µm à 400x400x20 µm. Cette thèse présente un modèle complet de la transmission de mouvement de l'aimant vers le pousseur. La poussée d'un objet peut s'effectuer de deux façons différentes : soit en faisant tourner le pousseur autour de son point de contact (rotation), soit en déplaçant le pousseur en translation. La rotation permet de déplacer un objet avec une précision inférieure à 1 µm sur une course réduite, alors que la translation permet de déplacer un objet avec une précision de l'ordre de 5 à 20 microns sur une course infinie. Nous proposons dans cette thèse une commande micro-macro spécifique permettant de déplacer un objet avec une bonne précision sur une course infinie. Nous avons également construit un estimateur de l'effort appliqué par le pousseur sur l'objet manipulé. Cet estimateur est basé sur la mesure de la position relative du pousseur par rapport à l'aimant. Un grand nombre d'expérimentations ont été mises en place grâce à notre dispositif, dont la manipulation de billes de polystyrène de 50 microns de diamètre et la manipulation d'ovules de 150 microns de diamètre.

La force de diélectrophorèse (DEP) est utilisée pour manipuler, séparer et positionner différent types des particules (cellules, bactéries, nanotubes de carbone). Dans le but d étudieret de simuler une loi de commande permettant le suivi de la trajectoire d une particule soumise à la force DEP un modèle est nécessaire. Les méthodes utilisées pour simuler la force DEP sont généralement basées soit sur des simulateurs à éléments finis (FEM), soit sur des équations analytiques. Les simulateurs FEM ne permettent pas la variation des paramètres (tensions électriques) lors du calcul de la trajectoire et les équations analytiques sont limitées à des géométries simples des électrodes. Dans ce manuscrit, une méthode hybride basée sur les calculs FEM et analytique est proposée. Cette méthode permet de simuler la trajectoire d une particule en utilisant des géométries complexes et en variant les tensions électriques lors de la simulation. Ce modèle est ensuite validé en le comparant à des relevés expérimentaux. Finalement, une loi de commande, basée sur la commande prédictive généralisée (GPC) est proposée dans le but de contrôler la trajectoire, en profitant de la grande dynamique du déplacement de la particule, et ce malgré les non-linéarités. Cette loi de commande a été validée par des résultats de simulations et une comparaison avec une loi de commande classique.

Single cell manipulation techniques have important applications in laboratory and clinical procedures such as intracytoplasmic sperm injection (ICSI) and polar body biopsy for preimplantation genetic diagnosis (PGD). Conventionally, manipulation of cells conducted in these procedures have been performed manually, which entails long training hours and stringent skills. Conventional single cell manipulation also has the limitation of low success rates and poor reproducibility due to human fatigue and skill variations across operators. This research focuses on the integration of computer vision microscopy and control algorithms into a system for the automation of the following single cell manipulation techniques: (1) sperm immobilization, (2) cell aspiration into a micropipette, and cell positioning inside a micropipette, and (3) rotational control of cells in three dimensions. These automated techniques eliminate the need for significant human involvement and long training. Through experimental trials on live cells, the automated techniques demonstrated high success rates.