Micronageurs arti ficiels propulsés par effets inertiels

par Georges Chabouh

Projet de thèse en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Gwennou Coupier et de Catherine (phys) Quilliet.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (laboratoire) et de DyFCOM : Dynamique des fluides complexes et morphogenèse (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La possibilité de développer des micronageurs artificiels contrôlables à distance suscite depuis une dizaine d'années une intense activité tant au niveau théorique que technologique. Ces microrobots pourraient être utiles, par exemple, pour aller déposer un médicament à un endroit précis du corps via la circulation sanguine ou un réactif au coeur d'un milieu poreux. Une des difficultés est de s'accommoder des contraintes inhérentes aux écoulements à petite échelle, qui sont souvent dominés par les effets visqueux. Dans un tel cas, le micronageur doit faire face à de fortes forces de traînée. A ceci est couplé un autre défi technologique, celui d'apporter au robot de l'énergie, qui plus est en quantité suffisante pour se mouvoir en luttant contre les écoulements déjà présents tels le flux sanguin. Enfin cette technologie devra être adaptée aux contraintes biologiques et médicales, et transférable à l'échelle industrielle.

  • Titre traduit

    Inertial thrust for artificial microswimmers


  • Résumé

    Artificial microswimmers present undeniable fundamental and practical interests. Those robots may be used, for instance, to deliver adequate quantities of substances in a human body through the blood network. Quite few realizations of synthetic microswimmers can be found in literature. The two main external source of power are magnetic fields [Peyer et al. 2013] and acoustic fields [Ahmed et al. 2016,Kaynak et al. 2017], which are probably more suitable and less expensive for medical applications. The main conceptual difficulty lies in the low Reynolds flows usually associated with microscopic scales: the scallop theorem then imposes that a non zero displacement may only occur via a nonreciprocal succession of shapes. This necessary condition often requires at least two degrees of freedom, which commonly implies two control parameters. Such heavy double steering could indeed be bypassed if flow rates can be rendered high enough so that inertia cannot be neglected any more, or if an hysteresis in the deformation ”naturally” prevents reciprocity. We propose to achieve this thanks to a microswimmer based on spherical hollow shells submitted to acoustic waves. Such shells will deflate and re-inflate following a dynamics which comprises fast buckling and de-buckling phases (elastic instabilities). This study will benefit from the fundamental knowledge acquired recently thanks to a macroscopic model of the swimmer [Djellouli et al., 2017], and will use as building blocks for the microrobot cellulose-encapsulated bubbles whose synthesis process is now being developed in the team, in collaboration with E. Lorenceau (LIPhy) and L. Heux (Cermav, Grenoble). Those microshells are expected to swim quite fast (1 to 10 mm/s). The goal of the study will be to analyse their trajectories and their dependency on the characteristics (amplitude and frequency) of the acoustic wave. To follow the swimmers, that will be lighter than the fluid, we may use digital holographic microscopy [Minetti et al. 2014]. Assemblies of spheres may be controlled in 3D via the amplitude or the frequency of the acoustic wave. Swimming in crowded and confined environment will also be considered, with microfluidics devices in which blood would flow. Along the thesis, comparison with numerical simulations made by our collaborator S. Aland in Dresden will enrich the understanding of the mechanisms at stake.