Le sujet de cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de la matière active. Ces systèmes sont composés de "particules actives" capables de s'organiser spontanément (transition de phase), et de manière autonome (sans application d'un champs extérieur), créant ainsi des dynamiques complexes comme les transition de phase dynamiques, synchronisation, instabilités etc...De nombreuses études tendent à montrer le rôle important des interactions entre particules active dans l'émergence de ces dynamiques. Nous avons abordé ces questions à travers l'étude d'une suspension de micro-algues Chlamydomonas reinhardtii. Il s'agit d'un système modèle de micro-nageur couramment utilisé pour l'étude des suspensions actives. Nous avons notamment étudié un phénomène de migration spontanée de la suspension, permettant de concentrer des micro-algues grâce à une source de lumière. Puis nous avons étudié le processus de dispersion d'un amas concentré de micro-algues. Nous avons notamment mis en évidence le rôle des interactions hydrodynamiques entre micro-algues dans cette dynamique de dispersion. / The subject of this thesis is part of the study of the active matter. These systems are composed of "active particles" capable of organizing themselves spontaneously (phase transition), and autonomously (without application of an external field), thus creating complex dynamics such as dynamical phase transition, synchronization, instabilities etc ...Numerous studies tend to show the important role of interactions between active particles in the emergence of these dynamics. We have addressed these issues through the study of a suspension of microalgae Chlamydomonas reinhardtii. It is a model system of micro-swimmer commonly used for the study of active suspensions. We studied in particular a phenomenon of spontaneous migration of the suspension, allowing to concentrate micro-algae thanks to a light source. We then studied the dispersal process of a concentrated bloom of microalgae. In particular, we have highlighted the role of hydrodynamic interactions between micro-algae in this dispersion dynamics.

Les microrobots magnétiques, qui nagent en utilisant des modes de propulsion bio-inspirées, apparaissent très prometteurs pour la manipulation et la caractérisation d'objets à l'échelle microscopique dans des environnements confinés et très restreints, contrairement aux méthodes de micromanipulation classiques. La littérature propose une variété de microrobots avec des formes géométriques et des propriétés magnétiques différentes. Les commandes en mouvement proposées restent cependant simples, peu précises et insuffisamment robustes pour la réalisation de tâches réelles. De plus, il subsiste une incertitude sur le fait que tous ces micronageurs artificiels peuvent accomplir les mêmes tâches avec une performance égale. L'objectif de cette thèse consiste alors à proposer : des commandes de mouvement génériques par asservissement visuel dans l'espace pour tous les types de micronageurs avec des contraintes non holonomes afin d'améliorer les performances de ces micronageurs, un ensemble de critères de comparaison entre des robots avec une topologie ou un mode de propulsion différents pour le choix du micronageur le plus performant pour réaliser une tâche particulière. Des lois de commande de suivi de chemin dans l'espace sont synthétisées et validées expérimentalement sur des nageurs hélicoïdal et flexible sous différentes conditions. Ces robots évoluent dans un fluide à faible nombre de Reynolds, imitant respectivement le mécanisme de locomotion des bactéries et des spermatozoïdes et sont actionnés par un champ magnétique uniforme. Ces deux classes de nageurs possèdent une géométrie et un mode d'actionnement différents. Leurs performances sont ainsi comparées. / Magnetic microrobots, which swim using bio-inspired propulsion modes, appear very promising for manipulation and characterization of objects at microscopic scale inside confined and very restricted environments, unlike conventional micromanipulation methods. The literature proposes a variety of microrobots with different geometric shapes and magnetic properties. However, the motion controls proposed remain simple, imprecise and insufficiently robust for performing real tasks. In addition, there is still uncertainty that all these artificial microswimmers can accomplish the same tasks with equal performance. The objective of this thesis is thus to propose : generic motion controls by visual servoing in space for all kinds of microswimmers with nonholonomic constraints in order to improve the microswimmer performances, a set of comparison criteria between robots with a different topology or propulsion mode for choosing the most efficient microswimmer in order to perform a specific task. Path following control laws in space are synthesized and experimentally validated on helical and flexible swimmers under different conditions. These robots operate in low Reynolds number fluid, imitating respectively bacteria and spermatozoa and are actuated with uniform magnetic field. These two classes of swimmers have different actuation mode and geometric shape. Their performances are thus compared according to the task to be performed, the environment in which the robots evolve and the manufacturing constraints.

L'utilisation de micronageurs hélicoidaux capables de se mouvoir dans des liquides à faible nombre de Reynolds trouve son intérêt dans beaucoup d'applications: de tâches in-vitro dans des laboratoires sur puce (transport et tri de micro-objets; assemblage de micro-composants...), à des applications in-vivo en médecine mini-invasive (livraison interne et ciblée de médicaments, curiethérapie, thermothérapie...); grâce à leur dimensions microscopiques et agilité permettant l'accès à des endroits normalement très restreints. Plusieurs types de nageurs hélicoïdaux actionnés magnétiquement possédant divers paramètres géométriques, formes de tête et positions de la partie magnétique ont été proposés dans de précédents travaux. Cependant, l'influence de tous ces paramètres n'a pas clairement été étudiée. À notre connaissance, les micronageurs hélicoïdaux dans l'état de l'art sont principalement contrôlés en boucle ouverte, en raison de la complexité de la commande du champ magnétique actionnant la propulsion, et du nombre limité de retours ayant des critères satisfaisants. Cette thèse vise à comparer les performances de déplacement de nageurs hélicoïdaux avec des conceptions différentes a n d'améliorer leur design et de les caractériser et réaliser un asservissement visuel de nageur hélicoïdal. Pour se faire, des nageurs hélicoïdaux de tailles millimétriques ont été conçus et sont mis en conditions à faible nombre de Reynolds. La conception de ces "millinageurs" servira de base à la conception de micronageurs. Une commande boucle fermée par retour visuel de l'orientation d'un micronageur hélicoïdal dans un espace 3D, et un suivi de trajectoires sur plan horizontal ont été effectués. Cette méthode de commande sera par la suite appliquée à des micronageurs hélicoïdaux. / Helical microswimmers capable of propulsion at low Reynolds numbers have been proposed for numerous applications, ranging from in vitro tasks on lab-on-a-chip (e.g. transporting and sorting micro objects; mechanical components micro assembly...) to in vivo applications for minimally invasive medicine (e.g. targeted drug delivery; brachytherapy; hyperthermia...), due to their micro sizes and accessibility to tiny and clustered environments. Several kinds of magnetically actuated helical swimmers with di erent geometry parameters, head shapes, and magnetic positioning have been proposed in prior works. However, the in uence of the geometry parameters, the head shape and the magnetic positioning (head, coated tail...) has not been clearly studied. As far as we know, the existing helical microswimmers are primarily open-loop controlled, due to the complexity of the control of the magnetic eld actuating the helical propulsion, and the limited number of feedback options processing the required precision. This thesis aims to compare the swimming performances of helical swimmers with di erent designs to further improve their design and to characterize their swimming properties and realize a visual servo control of helical swimmers. Scaled-up helical microswimmers at the millimeter scale are designed and swim at low Reynolds numbers. The design of these scaled-up helical microswimmers can be a guideline for the micro-fabrication of helical microswimmers. A visual servo control of the scaled-up helical microswimmer orientation in the 3D space, and a path following on the horizontal plane have been realized. The control method will be applied on helical microswimmers in future works.

L'utilisation de micronageurs hélicoidaux capables de se mouvoir dans des liquides à faible nombre de Reynolds trouve son intérêt dans beaucoup d'applications: de tâches in-vitro dans des laboratoires sur puce (transport et tri de micro-objets; assemblage de micro-composants...), à des applications in-vivo en médecine mini-invasive (livraison interne et ciblée de médicaments, curiethérapie, thermothérapie...); grace à leur dimensions microscopiques et agilité permettant l'accès à des endroits normalement très restreints. Plusieurs types de nageurs hélicoidaux actionnés magnétiquement possédant divers paramètres géométriques, formes de tête et positions de la partie magnétique ont été proposés dans de précédents travaux. Cependant, l'influence de tous ces paramètres n'a pas clairement été étudiée. À notre connaissance, les micronageurs hélicoidaux dans l'état de l'art sont principalement contrôlés en boucle ouverte, en raison de la complexité de la commande du champ magnétique actionnant la propulsion, et du nombre limité de retours ayant des critères satisfaisants. Cette thèse vise à: comparer les performances de déplacement de nageurs hélicoidaux avec des conceptions différentes afin d'améliorer leur design et de les caractériser, et réaliser un asservissement visual de nageur hélicoidal. Pour se faire, des nageurs hélicoidaux de tailles millimétriques ont été conçus et sont mis en conditions à faible nombre de Reynolds. La conception de ces "millinageurs" servira de base à la conception de micronageurs. Une commande boucle fermée par retour visuel de l'orientation d'un micronageur hélicoidal dans un espace 3D, et un suivi de trajectoires sur plan horizontal ont été effectués. Cette méthode de commande sera par la suite appliquée à des micronageurs hélicoidaux.