Micromanipulation sans contact utilisant les courants de convection induits par un laser

• Auteur / Autrice : Emir Augusto Vela Saavedra
• Direction : Stéphane Régnier, Moustapha Hafez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Robotique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Convection

Nanostructures

Micromanipulation

Résumé

Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet GOLEM et de la manipulation parallèle robotisée d’objets de taille submillimétrique. L’un des enjeux majeurs de cette échelle est de développer des nouvelles méthodes de manipulation parallèle pour réussir à assembler des objets de quelques centaines de micromètres avec un haut cadencement. A cette échelle, la robotique série est limitée par la fréquence et les phénomènes physiques mis en jeu. Il faut donc trouver de nouvelles solutions dédiées à ces échelles. Pour résoudre ce verrou scientifique, ce travail de thèse propose une approche originale autour d’un moyen opto-fluidique, en utilisant particulièrement un effet de fluide convectif appelé l’effet Marangoni. Cet effet est analysé, une plate-forme expérimentale est entièrement construite pour montrer son intérêt pour manipuler à haute vitesse des objets de différentes formes et de tailles et enfin l’automatisation du processus de manipulation est démontrée pour prouver que cette technique est entièrement parallélisable. Le premier chapitre s’attache à définir les différentes méthodes de manipulation sans contact, la manipulation par champ électrique, les pinces optiques, le mouillage électrique, la lévitation acoustique et finalement la manipulation à partir de mouvements thermiques d’un fluide Toutes ces méthodes sont comparées pour montrer que la méthode par convection thermique apparaît comme une solution prometteuse pour la manipulation sans contact parallèle d’objets de taille mésoscopique. Le second chapitre aborde la modélisation de ces effets et la mise en évidence de leurs propriétés multi-physiques au travers de simulations par éléments finis. En particulier, un rappel détaillé est proposé des différents modèles de mécanique des fluides et leur application à l’échelle microscopique c’est à dire à bas Reynolds est détaillée. Ensuite, la convection naturelle sur un problème simplifié et borné est analysée. De nombreuses simulations sont proposées et des comparaisons expérimentales sont données. Finalement, le problème de la convection fluidique est abordé pour montrer son intérêt dans le cadre de notre étude. Ainsi, les différents paramètres (hauteur et volume du liquide, propriétés du liquide, puissance convective, taille des objets) sont étudiés pour la conception optimale d’une plate-forme de micromanipulation sans contact. Le troisième chapitre s’intéresse à la conception de cette plate-forme robotisée. Il décrit les différents éléments composant cette dernière, le microscope optique, le laser et ses particularités, le scanner pour le déplacement du laser et les différents éléments de contrôle du système. De nombreux tests manuels sont alors proposés pour montrer le bien fondé de notre approche. En particulier, l’utilisation d’une caméra haute définition, sa calibration pour déterminer la relation image/déplacement cartésien et d’une analyse des données permet d’estimer les paramètres optimaux pour des vitesses de déplacement micro-objets de différentes tailles. De même, les efforts engendrés sont analysés à partir du principe fondamental et de la mesure de l’accélération instantanée des objets mis en mouvement. Des résultats prometteurs sont ainsi déterminés. Le quatrième chapitre s’intéresse à la robotisation et plus particulièrement à l’automatisation du processus de manipulation. A partir de différentes positions désirées, il s’agit de monter qu’un système totalement automatisé peut déplacement différents micro-objets, en parallèle, d’un point à un autre. Il s’agit de aussi démonter que ce phénomène physique peut être contrôlé de façon fine par un scanner et qu’il peut être utilisé pour engendrer des déplacements sur plusieurs. La problématique du temps réel et de la fréquence d’échantillonnage du système est ainsi abordée. Des outils sont développés et permettent de détecter des objets avec une rapidité et une résolution suffisante. Ce modèle est ensuite utilisé pour monter que le système est capable de suivre des objets de différentes tailles. Enfin, un exemple de parallélisme unique à cette échelle montre l’originalité et l’apport de ce travail. De nombreuses perspectives sont ouvertes par exemple en étudiant plus précisément la physique de la convection fluide, en s’intéressant à un scanner à fréquence propre beaucoup plus élevée pour intégrer des déplacements sur des populations plus élevées d’objets et finalement en s’intéressant à la vison ultra rapide biomimétique. Cette thèse ouvre une porte nouvelle sur la manipulation indirecte parallèle à haute vitesse d’objets mésoscopiques de différentes formes géométriques. .