Le globule rouge a une grande faculté à se déformer, notamment lorsqu?il traverse des capillaires dont le diamètre peut être inférieur au sien. Cette résistance au cisaillement est attribuée à sa membrane particulière. Celle-ci est constituée d?une bicouche lipidique sur laquelle est fixé un réseau bidimensionnelle de protéines : le squelette. Ce squelette est principalement constitué de longs filaments de spectrine (~200 nm) reliés entre eux et à la bicouche lipidique par des complexes de jonction. Dans la première partie de ce travail, nous avons mesuré le module de cisaillement µ de la membrane (bicouche lipidique + squelette) à l?aide de deux pinces optiques. Deux billes de silice attachées à la membrane sont utilisées pour lui appliquer des forces connues. Le module de cisaillement est déduit de la déformation mesurée en fonction de la contrainte appliquée. Nous avons trouvé µ = 2.5 +/- 0.4 µN/m, valeur du même ordre de grandeur, mais inférieure, à celles obtenues par d?autres techniques. Dans une seconde partie, nous mesurons les modules d?extension KC et de cisaillement µC du squelette seul. Un globule rouge avec trois billes un piégé, et une solution de détergent est injectée afin de dissoudre la bicouche lipidique. Le squelette reste attaché aux billes et il est ensuite déformé en déplaçant les billes les unes par rapport aux autres. Les modules élastiques sont déduits de la mesure des contraintes et des déformations. Nous trouvons KC = 4.8 +/- 2.7 µN/m et µC = 2.4 +/- 0.7 µN/m dans une solution d?osmolarité égale à 25 mOsm/kg. De ces mesures, nous pouvons déduire la longueur de persistance de la spectrine, ici 5 nm. Ces valeurs sont en bon accord avec des prédictions théoriques et numériques réalisées sur des réseaux bidimensionnels de ressorts. L?influence de la force ionique et du vieillissement du squelette après l?extraction sont étudiés dans la dernière partie.

Ce manuscrit est divisé en trois parties : (I) Sont présentées deux études concernant les forces effectives entre objets plongés dans un milieu fluctuant. A l'équilibre thermodynamique, nous caractérisons complètement la distribution, non universelle, des forces ressenties par deux objets pour quelques cas simples. Nous étendons aussi le concept de forces induites par les fluctuations à des milieux maintenus hors équilibre. (II) Nous y étudions la réponse dynamique d'adhésifs moléculaires. Une première étude concerne l'interprétation d'expériences récentes sur molécule unique. Nous identifions et discutons, en particulier, l'ambiguïté des interprétations usuelles de ces expériences. Nous montrons ensuite comment la topologie des chemins vers la rupture se traduit dans la complexité de la réponse dynamique des adhesifs. (III) On y fournit quelques commentaires sur les interactions élastiques qui existent entre des inclusions rigides déformant localement une interface molle.

L'effet thermocapillaire (ou Marangoni) est la résultante mécanique d'un gradient de tension interfaciale induit par la présence d'un gradient de température sur une interface fluide. Il se manifeste par (i) la migration d'un objet fini (goutte, bulle) immergé, et (ii) une déflexion de l'interface. Sa nature interfaciale le rend particulièrement pertinent à petite échelle, notamment en microfluidique diphasique. Ce travail de thèse montre comment un effet thermocapillaire induit localement par chauffage laser peut être utilisé pour produire des composants optofluidiques élémentaires (vanne, aiguillage, échantillonneur), et en présente une étude quantitative. La déstabilisation d'un jet microfluidique forcée par laser, conduisant à sa rupture, est également présentée et caractérisée. Cette « boîte à outils » optique fournit ainsi une approche sans contact, pour produire et manipuler des gouttes en microfluidique digitale sans nécessité d'une microfabrication dédiée. Par ailleurs, afin de caractériser sur des temps longs les gouttes produites, et ainsi considérer des populations statistiquement significatives, un dispositif optoélectronique simple pour mesurer les gouttes et leur vitesse en temps réel a également été développé.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la manipulation submicronique (de 100nm à 10µm). Les spécificités de cette échelle (absence de vision temps réel etde mesure d'efforts) ont conduit l'ISIR à envisager ces thématiques autour de deux plateformes. La première, NanoMAD, dédiée aux objets de 500nm et plus sous microscope optique. Elle est dotée d'un préhenseur monodigital et d'une mesure des efforts normal et latéral, via un système laser/photodiode. La seconde, issue du projet européen NanoRAC est dédiée à la manipulation/caractérisation de nanotubes de carbone sous SEM. Elle est dotée d'une micropince sans capteur d'effort. Pour y remédier, elle est couplée à un environnement virtuel et à une interface haptique afin d'appliquer des déplacements et de ressentir des efforts recréés à partir de différents modèles. Ces plateformes permettent d'étudier différentes méthodes de calibration, de manipulation/caractérisation dynamiques, de comparer le ressenti d'efforts réels ou simulés.

Le Dynamic Vision Sensor (DVS) est un prototype de la rétine silicium qui n'enregistre que des changements de contraste de la scène sous la forme de flux d'événements, excluant donc naturellement les niveaux de gris absolus redondants. Dans ce contexte, de nombreux algorithmes de vision asynchrones à grande vitesse basées sur l'événement ont été développés et leurs avantages par rapport aux méthodes de traitement traditionnel basé sur l'image ont été comparés. En retour haptique pour la micromanipulation, la vision est un candidat qualifié pour l'estimation de la force si le modèle position-force est bien établi. La fréquence d'échantillonnage doit toutefois atteindre 1 kHz pour permettre une sensation tactile transparente et fiable et assurer la stabilité du système. La vision basée sur l'événement a donc été appliquée pour fournir le retour d'effort nécessaire sur deux applications de micromanipulation: Le retour haptique sur la pince optique; Assistance virtuelle haptique sur micro-outil mécanique. Les résultats montrent que l'exigence de fréquence haptique de 1 kHz a été réalisée avec succès. Pour la première application, les algorithmes de détection de la position d'une microsphère à haute vitesse ont été développés. Un système de retour haptique tridimensionnel capable de manipuler plusieurs pièges optiques a été réalisé. Dans la deuxième application, un nouvel algorithme d'enregistrement de forme basé sur l'événement capable de suivre objet de forme arbitraire a été développé pour suivre une micropince piézoélectrique. La stabilité du système a été considérablement renforcée pour aider les opérateurs à effectuer des tâches de micromanipulation complexes.

Les étapes d'adhésion et de fusion entre l'ovocyte et le spermatozoïde sont des étapes cruciales dans le processus de fécondation. Cependant, de nombreuses questions sont posées aujourd'hui à propos des processus moléculaires qui sous-tendent la réussite de ces étapes. Ces dernières années, un nombre important de molécules clés ont été identifiées comme ayant un rôle majeur dans l'interaction gamétique. A ce jour, la seule protéine membranaire connue dont l'absence cause un échec total de la fécondation est la protéine spermatique Izumo1.<br> Izumo1 est une protéine transmembranaire, membre de la famille des protéines Izumo et de la superfamille des Immunoglobulines. Malgré son rôle clé dans l'interaction gamétique, ses propriétés fonctionnelles en tant que protéine d'adhésion, de fusion ou ayant la capacité d'organiser des réseaux comprenant des protéines de fusion n'est pas encore élucidé.<br> Dans cette étude nous nous sommes intéressés au rôle d'Izumo1 dans l'interaction gamétique.<br> Pour cela, nous avons généré deux variantes exogènes de la protéine Izumo1et les avons surexprimées à la membrane de plusieurs lignées cellulaires. L'interaction entre ces cellules exprimant la protéine et l'ovocyte a été analysée au moyen d'une technique de micromanipulation de cellules couplée à l'imagerie confocale. Nous avons ainsi mis en évidence une forte adhésion entre les cellules exprimant Izumo1 et les ovocytes et nous avons quantifié sa cinétique. Nous avons également généré le domaine extracellulaire recombinant afin de déterminer si Izumo1 seule était capable de se lier directement à l'ovocyte et comment. Nous avons sondé au moyen d'une technique fine de mesure de forces, le biomembrane force probe, l'interaction entre un Izumo1 unique et l'ovocyte. Ces expériences permettent de confirmer que c'est bien Izumo1 et non un partenaire qui est responsable de la forte adhésion entre cellules et ovocytes. Par observation en microscopie confocale d'un ovocyte interagissant avec des cellules surexprimant Izumo1-GFP, nous avons observé l'accumulation d'Izumo1-GFP dans la zone d'adhésion. Le fait que ce processus se reproduise lorsque plusieurs cellules adhèrent à l'ovocyte suggère qu'Izumo1 possède une molécule partenaire largement exprimée à la membrane de l'ovocyte avec laquelle il interagit pour créer de l'adhésion.

In the master's thesis, there has been described and explained the principle of operation of the second generation coherence controlled holographic microscope (CCHM2) designed at the Brno University of Technology. There has also been listed theoretical description of the operation of the optical trap, together with the calculation of the forces acting on it, ways of measuring the stiffness of the optical trap and the principle of~creating a time-shared optical traps. The optical tweezers forming a separate module connectable to CCHM2 was designed. Simulation and optimization of parameters of the optical system, mechanical design, manufacturing documentation, current source to power the laser diode which allows to control the diode output power by the controller card connected to the PC was designed. The galvano-optics mirror angle is controlled by the PC card too. The optical tweezer has been designed, manufactured and tested in conjunction with the CCHM2.

Les systèmes micro mécatroniques intègrent dans un volume très réduit des fonctions de natures différentes (électrique, mécanique, thermique, magnétique ou encore optique). Ces systèmes sont des produits finaux ou sont dans des systèmes de taille macroscopique. La tendance à la miniaturisation et à la complexité des fonctions à réaliser conduit à des microsystème en trois dimensions et constitué´es de composants provenant de processus de (micro)fabrication parfois incompatibles. L’assemblage microbotique est une réponse aux challenges de leur réalisation. Pour assurer les opérations d’ assemblage avec des précisions et des résolutions élevées, des capteurs adaptés au micro monde et des outils particuliers de manipulation doivent être utilisés. Les éléments principaux constituants les systèmes de micromanipulation sont les micro-actionneurs.Ces derniers sont souvent faits à base de matériaux actifs parmi lesquels les matériaux Piézoélectriques . Les actionneurs piézoélectriques sont caractérisés par leur très haute résolution (souvent nanométrique), leur grande bande-passante (plus du kHz pour certains micro-actionneurs) et leur grande densité de force. Tout ceci en fait des actionneurs particulièrement intéressants pour le micro-assemblage et la micromanipulation. Cependant,ces actionneurs présentent, en plus de leur comportement non-linéaire, une forte dépendance à l’environnement et aux tâches considérées. De plus, ces tâches de micromanipulation et de micro-assemblage sont confrontées à un manque de capteurs précis et compatibles avec les dimensions du micromonde. Ceci engendre des incertitudes sur les paramètres du élaboré lors de l’identification. En présence du verrou technologique lié à la réalisation des capteurs et des propriétés complexes des actionneurs, il est difficile d’obtenir les performances de haut niveau requises pour réussir les tâches de micromanipulation et de micro-assemblage. C’est notamment la mise au point d’outils de commande convenables qui permet d’atteindre les niveaux de précision et de résolution nécessaires.Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans ce cadre. Afin de réussir les tâches de micromanipulation et de micro-assemblage, plusieurs méthodes de commande prenant en compte des incertitudes liées au modèle, comme les approches de commande robustes de type H-inf ont déjà utilisées pour commander les actionneurs piézoélectriques.L’un des inconvénients majeurs de ces méthodes est la dérivation de régulateurs d’ordre élevé qui sont coûteux en calcul et peuvent difficilement être embarqués dans les microsystèmes. Afin de prendre en compte les incertitudes paramétriques des modèles des Systèmes à commander, nous proposons une solution alternative basée sur l’utilisation du calcul par intervalles. Ces techniques du calcul par intervalles sont combinées avec les outils de l’automatique pour modéliser et commander les microsystèmes. Nous chercherons également à montrer que l’utilisation de ces techniques permet d’associer la robustesse et la simplicité des correcteurs dérivés / Micromechatronic systems integrate in a very small volume functions with differentnatures. The trend towards miniaturization and complexity of functions to achieve leadsto 3-dimensional microsystems. These 3-dimensional systems are formed by microroboticassembly of various microfabricated and incompatible components. To achieve theassembly operations with high accuracy and high resolution, adapted sensors for themicroworld and special tools for the manipulation are required. The microactuators arethe main elements that constitute the micromanipulation systems. These actuators areoften based on smart materials, in particular piezoelectric materials. The piezoelectricmaterials are characterized by their high resolution (nanometric), large bandwidth (morethan kHz) and high force density. This why the piezoelectric actuators are widely usedin the micromanipulation and microassembly tasks. However, the behavior of the piezoelectricactuators is non-linear and very sensitive to the environment. Moreover, thedeveloppment of the micromanipulation and the microassembly tasks is limited by thelack of precise and compatible sensors with the microworld dimensions. In the presenceof the difficulties related to the sensors realization and the complex characteristics ofthe actuators, it is difficult to obtain the required performances for the micromanipulationand the microassembly tasks. For that, it is necessary to develop a specific controlapproach that achieves the wanted accuracy and resolution.The works in this thesis deal with this problematic. In order to success the micromanipulationand the microassembly tasks, robust control approaches such as H∞ havealready been tested to control the piezoelectric actuators. However, the main drawbacksof these methods is the derivation of high order controllers. In the case of embedded microsystems,these high order controllers are time consuming which limit their embeddingpossibilities. To address this problem, we propose in our work an alternative solutionto model and control the microsystems by combining the interval techniques with theautomatic tools. We will also seek to show that the use of these techniques allows toderive robust and low-order controllers.

La micromanipulation a un grand potentiel pour révolutionner la recherche biologique et les soins médicaux. À petite échelle, microrobots peuvent effectuer des tâches médicales avec peu invasive, et d'explorer la vie à un niveau fondamental. Pinces optiques sont l'une des techniques les plus populaires pour la manipulation biologique. La production de petits lots qui exige une grande flexibilité repose principalement sur le processus de téléopération. Cependant, le niveau limité d'intuitivité rend de plus en plus difficile de conduire efficacement les tâches de manipulation et d'exploration dans le micromonde complexe. Dans de telles circonstances, des chercheurs pionniers ont proposé d'incorporer l'haptique dans la boucle de contrôle du système OTs, qui vise à gérer les tâches de micromanipulation de manière plus flexible et plus efficace. Cependant, la solution n'est pas encore complète, et il ya deux défis principaux à résoudre dans cette thèse: Détection de force 3D, qui doit être précis, rapide et robuste dans un espace de travail suffisamment grand; Haute vitesse jusqu'à 1 kHz force de rétroaction, ce qui est indispensable pour permettre une sensation tactile fidèle et d'assurer la stabilité du système. Dans la micromanipulation des pinceaux optiques, la vision est un bon candidat pour l'estimation de la force puisque le modèle force-position est bien établi. Cependant, le suivi de 1 kHz dépasse la vitesse des procédés de traitement classiques. La discipline émergente de l'ingénierie biomorphe visant à intégrer les comportements de vie dans le matériel informatique ou le logiciel à grande échelle rompt le goulot d'étranglement. Le capteur d'image asynchrone basé sur le temps (ATIS) est la dernière génération de prototype de rétine de silicium neuromorphique qui enregistre seulement les changements de contraste de scène sous la forme d'un flux d'événements. Cette propriété exclut le fond redondant et permet la détection et le traitement des mouvements à grande vitesse. La vision événementielle a donc été appliquée pour répondre à l'exigence de la rétroaction de force 3D à grande vitesse. Le résultat montre que les premières pinces optiques haptiques 3D à grande vitesse pour une application biologique ont été obtenues. La réalisation optique et les algorithmes de suivi événementiel pour la détection de force 3D à grande vitesse ont été développés et validés. L'exploration reproductible de la surface biologique 3D a été démontrée pour la première fois. En tant que puissant capteur de force 3D à grande vitesse, le système de pinces optiques développé présente un potentiel important pour diverses applications. / Micromanipulation has a great potential to revolutionize the biological research and medical care. At small scales, microrobots can perform medical tasks with minimally invasive, and explore life at a fundamental level. Optical Tweezers are one of the most popular techniques for biological manipulation. The small-batch production which demands high flexibilities mainly relies on teleoperation process. However, the limited level of intuitiveness makes it more and more difficult to effectively conduct the manipulation and exploration tasks in the complex microworld. Under such circumstances, pioneer researchers have proposed to incorporate haptics into the control loop of OTs system, which aims to handle the micromanipulation tasks in a more flexible and effective way. However, the solution is not yet complete, and there are two main challenges to resolve in this thesis: 3D force detection, which should be accurate, fast, and robust in large enough working space; High-speed up to 1 kHz force feedback, which is indispensable to allow a faithful tactile sensation and to ensure system stability. In optical tweezers micromanipulation, vision is a sound candidate for force estimation since the position-force model is well established. However, the 1 kHz tracking is beyond the speed of the conventional processing methods. The emerging discipline of biomorphic engineering aiming to integrate the behaviors of livings into large-scale computer hardware or software breaks the bottleneck. The Asynchronous Time-Based Image Sensor (ATIS) is the latest generation of neuromorphic silicon retina prototype which records only scene contrast changes in the form of a stream of events. This property excludes the redundant background and allows high-speed motion detection and processing. The event-based vision has thus been applied to address the requirement of 3D high-speed force feedback. The result shows that the first 3D high-speed haptic optical tweezers for biological application have been achieved. The optical realization and event-based tracking algorithms for 3D high-speed force detection have been developed and validated. Reproducible exploration of the 3D biological surface has been demonstrated for the first time. As a powerful 3D high-speed force sensor, the developed optical tweezers system poses significant potential for various applications.

In forensic casework analysis it is necessary to obtain genetic profiles from increasingly smaller amounts of biological material left behind by perpetrators of crime. The ability to obtain profiles from trace biological evidence is demonstrated with so-called ‘touch DNA evidence’ which is perceived to be the result of DNA obtained from shed skin cells transferred from donor to an object or person during physical contact. However, the current method of recovery of trace DNA involves cotton swabs or adhesive tape to sample an area of interest. This "blindswabbing" approach may result in the recovery of biological material from different individuals resulting in admixed DNA profiles which are often difficult to interpret. Profiles recovered from these samples are reported to be from shed skin cells with no biological basis for that determination. A specialized approach for the isolation of single or few cells from ‘touch DNA evidence’ is necessary to improve the analysis and interpretation of recovered profiles. Here we describe the development of optimized and robust micro volume PCR reactions (1-5 μL) to improve the sensitivity and efficiency of ‘touch DNA’ analysis. These methods will permit not only the recovery of the genetic profile of the donor of the biological material, but permit an identification of the tissue source of origin using mRNA profiling. Results showed that the 3.5 uL amplification volume, a fraction of the standard 25 uL amplification volume, was the most ideal volume for the DNA assay, as it had very minimal evaporation with a 50% profile recovery rate at a single cell equivalent input (~5 pg) with reducing amplification volume alone. Findings for RNA showed that by reducing both amplification steps, reverse transcriptase PCR (20 uL) and body fluid multiplex PCR (25 uL), to iv 5 uL, ideal results were obtained with an increase in sensitivity and detection of six different body fluids down to 50 pg. Once optimized at the trace level, the assays were applied to the collection of single and few cells. DNA findings showed that about 40% of a full profile could be recovered from a single buccal cell, with nearly 80% of a full profile recovered from only two cells. RNA findings from collected skin particles of "touched" surfaces showed accurate skin detection down to 25 particles and detection in one clump of particles. The profiles recovered were of high quality and similar results were able to be replicated through subsequent experiments. More studies are currently underway to optimize these developed assays to increase profile recovery at the single cell level. Methods of doing so include comparing different locations on touched surfaces for highest bio-particle recovery and the development of physical characteristics of bio-particles that would provide the most ideal results