On-chip unthethered helical microrobot for force sensing applications

par Antoine Barbot

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Gilgueng Hwang.

Soutenue le 08-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Harold Auradou.

Le jury était composé de Gilgueng Hwang, Harold Auradou, Peer Fischer, Franck Ruffier.

Les rapporteurs étaient Peer Fischer, Guang-Zhong Yang.

  • Titre traduit

    Microrobot hélicoïdal sans fil évoluant dans une puce microfluidique pour des applications comme capteur de force.


  • Résumé

    Au cours des dernières décennies, l'étude des puces microfluidiques capables d'exécuter des processus chimiques et biologiques sur quelques centimètres carrés a été un domaine de recherche actif. De telles plateformes offrent un environnement fermé et contrôlable qui permet une mesure reproductible et évite toute contamination externe. Cependant, ces environnements sont fermés, ce qui empêche l'utilisation de sondes de mesure ou d'effecteurs fixés à l'extérieur de la puce microfluidique. Pour répondre à ce besoin, nous proposons d'utiliser des microrobots rotatifs hélicoïdaux évoluant dans un fluide. Les microrobots proposés sont conçus grâce à la lithographie 3D par laser. Ils présentent une forme hélicoïdale de 5.5 µm de diamètre et environ 50 µm de longueur. Une couche mince ferromagnétique déposée sur ces microrobots permet de les propulser et de les contrôler grâce à un champ magnétique tournant homogène.Le premier défi est l'intégration stable de microrobots à l'intérieur d'un environnement microfluidique. Dans cette thèse, nous avons donc d'abord prouvé que ces microrobots peuvent utiliser leur propre mobilité pour s'intégrer individuellement à l'intérieur d'une puce microfluidique en utilisant un microcanal relié à un réservoir ouvert. Pour cela, nous avons développé un mouvement 3D où le microrobot évolue dans le fluide et deux mouvements 2D où il évolue sur une surface. En passant facilement d'un mouvement à l'autre, les microrobots peuvent utiliser les différents avantages de chaque mouvement pour obtenir une mobilité suffisante à cette intégration. Nous avons nommé ce modèle de microrobot "Roll-to-Swimm"(RTS).Ensuite, pour utiliser un microrobot comme capteur de force sur puce microfluidique, il est nécessaire de caractériser la force générée par l'hélice de chaque RTS. Une méthode de caractérisation est proposée, dans laquelle les différents paramètres d'environnement tels que le flux parasite, le gradient de température et l'impact des surfaces, sont contrôlées avec précision grâce à l'environnement microfluidique. Nous en concluons que le modèle de microrobot "RTS" peut appliquer une force de 10 à 45 piconewton avec une erreur maximale de 38 %. La composante principale de cette erreur (73 %) est due à l'évolution de l'aimantation du RTS. Par conséquent, les efforts visant à réduire cette erreur doivent d'abord se concentrer sur la propriété de magnétisation du RTS. Cette erreur peut également être temporairement réduite en caractérisant la RTS juste avant son utilisation dans une expérience.Enfin, nous présentons trois preuves de concept pour démontrer que notre méthode de caractérisation rapproche les microrobots hélicoïdaux des applications potentielles. Tout d'abord, nous mesurons la diminution de la force du RTS lorsqu'il pousse une microbille. Cette mesure est essentielle pour connaitre la force appliquée par le RTS sur un objet ou pour mesurer l'état de surface en utilisant des billes comme interface. Une microbille de 10 µm de diamètre à la pointe du RTS réduit la propulsion de 6 %. Deuxièmement, nous utilisons la caractérisation du RTS pour mesurer la vitesse locale de l'écoulement dans un canal. Puis nous proposons d'utiliser cette mesure de vitesse pour le contrôle du microrobot grâce à un contrôle automatique du RTS qui adapte le type de mouvement en fonction de la vitesse de l'écoulement. Ce contrôle a été testé expérimentalement avec différentes conditions d'écoulement. Troisièmement, nous utilisons la caractérisation du RTS pour effectuer des simulations numériques afin de trouver une stratégie de contrôle dans des microcanaux de taille inférieure à 20 fois le diamètre du RTS. Le modèle de cette simulation a été validé en comparant ces résultats avec des données expérimentales. Finalement, nous proposons un système de contrôle permettant de maintenir le RTS centré à l'intérieur de microcanaux courbes évoluant en 3D, en utilisant seulement une acquisition d'image en 2D.


  • Résumé

    Microfluidic chips that could perform chemical and biological processes on a few centimeter square footprint have been an active area of research in the past decades. Among other advantages, this platform offers a closed and controllable environment that allows reproducible measurements and avoids external contamination. However, such closed environments prevent the use of tethered probes to measure or apply a specific force on an element inside the microfluidic chip. Therefore we propose to use a helical rotating microrobot inside a microfluidic chip to answer this need. The proposed microrobots are designed with 3D laser lithography, and have a helical shape of 5.5 µm in diameter and around 50 µm length. A thin ferromagnetic layer is deposited on these microrobots which allows us to propel and control them with a homogenous external rotating magnetic field.The first challenge is the stable integration of these microrobots inside microfluidic environments. Therefore, in this thesis we first proved that these microrobots can use their own mobility to integrate themselves selectively (one by one) inside a microfluidic chip through a microchannel connected to an open reservoir. For this, we have developed a 3D motion where the microrobot evolves in the fluid and two different 2D motions where it evolves on a surface. By switching easily from one motion to another, the microrobots can use the different advantages of each motion to get sufficient mobility required for this integration. We named our microrobot design Roll-To-Swimm (RTS) in reference to this characteristic.Then in order to use a microrobot as on-chip force sensor, a precise characterization of the force generated by the helical shape is necessary for each RTS. A characterization method is proposed, where the different environment parameters (parasite flow, temperature gradient and impact of near surfaces on the flow) are controlled precisely thanks to the microfluidic environment. The characterization shows that the force range of the RTS is between 10 and 45 piconewton with a maximum error of 38 %. We also conclude that the main component of this error (73 %) is due to the evolution of the RTS magnetization. Therefore the efforts to reduce this error should first focus on the magnetization property of the RTS. This error can also be temporarily reduced by characterizing the RTS just before its use in another experiment.Finally, we present three different proofs of concept to demonstrate that our characterization method brings helical microrobots closer to potential on-chip force sensing applications. Firstly, we show that it is possible to measure the diminution of the RTS force when it is pushing a micro spherical bead. This is essential toward applying force on an object with this RTS or to use beads as an interface between the RTS and the surface to measure friction forces. A microbead with 10 µm in diameter at the tip of the RTS reduces it propulsion of 6 %.Secondly, we use the RTS characterization to measure local flow speed. We demonstrate this feature by measuring flow profiles in fluid channels. We show the potential use for of microrobot control by proposing an automatic control of the RTS that adapts the motion to the measured flow. This control has been tested experimentally with different flow conditions. Thirdly, we use the characterization of the RTS to perform numerical simulations in order to find a control strategy in small microchannels. Indeed we demonstrate that for microchannels below 20 times the RTS diameter, the channel walls have an impact on the RTS motions. The model of this simulation has been validated by comparing this result with experimental data. Finally we propose a control scheme for maintaining the RTS centered in a curved microchannel by only using a 2D image feedback.


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