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Assemblage de Microcomposants en Milieu Liquide 

Tâche 2.1 - Positionnement par forces magnétiques (UPMC/ISIR)

 

    Cette tâche porte sur le positionnement des composants une fois leur acheminement effectué lors des tâches précédentes. L'utilisation d'une pince rajouterait de la complexité au système, nous y préférons donc une manipulation sans contact, telle qu'optique, magnétique ou électrostatique. Cette nouvelle méthodologie propose pour assembler les composants procède par effets de longue portée (supérieure à la taille des objets) destinés à les aligner et les attirer. Les champs magnétiques seront générés par une source électromagnétique (e.g. 6 bobines pour le déplacement spatial). Des composants hydrophiles atteindront une position finale, à l'interface air/liquide dans le réservoir, définie par l'équilibre entre les tensions de surface et les forces magnétiques en jeu. Les rotations suivant les axes x, y et la translation suivant z s'opéreront par effets capillaires, alors que la rotation suivant z et les translations en x,y s'effectueront via les champs magnétiques. L'étude de ce couplage amènera à la conception des composants et des sources magnétiques.

    Commander une trajectoire par champs magnétiques statiques est compliquée; si les forces magnétiques sont insuffisantes, alors le frottement domine et le mouvement ne s'effectue pas. Tandis que lorsque les forces magnétiques sont suffisantes, la particule peut subir une accélération instantanée très importante, rendant la trajectoire imprédictible et non commandable. Pour être fiable, une trajectoire doit être induite par des champs magnétiques variant temporellement. Ces champs seront produits par des bobines électromagnétique, chacunes d'entre elles lors de son excitation crée un moment sur la particule, obligeant sa magnétisation à s'aligner avec le champs, et exerce aussi une force déplaçant la particule vers la bobine. Grace à 6 bobines habilement placées (3 paires orthogonales), le composant aura 6 degré de liberté de mouvement.

electromag

    La principale difficulté sera d'effectuer un contrôle de trajectoire multicorps en simultané vu que les champs magnétiques ne peuvent pas être ciblés sur une seul particule. D'autres moyens sont donc à mettre en place pour faire réagir différemment les particules soumises aux même champs. Puisque les composants ne peuvent pas être accrochés au substrat bien que cela soit la solution actuelle la plus prometteuse, nous devons expérimenter autre chose. Par exemple, en utilisant la résonance magnétique des particules, un déplacement découplé des composants seraient possibles entre micro-objets aux fréquences de résonnance différentes. Ces composants individuels doivent possèder des caractéristiques physiques uniques, de manière à répondre séparement aux champs magnétiques appliqués. Avec des systèmes possèdant des fréquences propres très éparses, une commande est envisageable en multiplexant les signaux. Un prototype d'effecteur magnétique sera fabriqué et ses premiers essais réalisés. La commande avancée sera implémentée dessus en tâche 2.3.

 

Tâche 2.2 - Positionnement par forces électrostatiques (FEMTO-ST)

 

    En parallèle au positionnement par magnétisme (tâche 2.1), ce projet tient à exploiter l'alignement par diélectrophorèse. Les forces diélectrophorétiques sont appliquées aux particules en accord avec la constante diélectrique, la conductivité, et du milieu, et des particules. Nous proposons l'alignement de deux composants venant des canaux liquides en commandant leurs trajectoires au moyen de forces diélectrophorétiques (voir figure ci-dessous). Les trajectoires s'effectueront en plusieurs étapes:

1 - Les micro-objets arrivent des canaux dans une disposition non contrôlée.
2 - Les trajectoires des deux composants sont commandées séparément via le 1er étage d'électrodes (1st stage sur la figure).
3 - Les composants sont amenés au 2ème étage où leur assemblage est perpétré.

Ce procédé original ouvrent des perspectives pour des méthodes précises de micro/nano-préhension.

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 Principe d'auto assemblage dirigé par DEP
Partie gauche : Vue de dessus décrivant le contrôle des trajectoires
Partie droite : Vue de coté montrant l'effet de lévitation induit par le champs électrostatique

Le profil et l'optimisation de la forme des électrodes seront effectués en se basant des modèles développés en tâche 1.2. La définition du processus de fabrication, la mise au point du prototype et les validations expérimentales font part de cette tâche.

Vu que la disposition des composants acheminés nous est inconnue, une commande en boucle fermée à haute vitesse devrait être faite telle que proposée tâche 2.3.

 

Tâche 2.3 - Commande et manipulation par comparaison de champs de forces (UPMC/ISIR)

 

    Pour assurer un positionnement répétable des composants, une commande en boucle fermée sera implémentée. A cette échelle, l'intégration de capteurs de position est complexe, et un retour visuel est usuel pour la commande. Cette solution est viable pour un actionnement magnétique ou électrostatique. Cependant, un problème apparaît vu que la dynamique des composants (100Hz) avoisine la fréquence de la caméra (100Hz). De plus, magnétique ou électrostatique, le système est hautement non linéaire. Une commande prédictive innovante basée sur les modèles de la tâche 1.2 sera étudiée et testée expérimentalement. Cette technique permettra de prévoir la position d'un objet entre l'acquisition et le traitement de deux images, et de l'utiliser dans la boucle de commande. Puis, cette prédiction sera corrigée une fois l'image analysée.

    Une autre solution pour palier à la haute dynamique des composants est de suivre leur mouvement via une caméra haute fréquence. L'ISIR a récemment acquis un nouveau système de vision composé d'une caméra asynchrone d'adressage d'événement. Les expériences ont montré que cette méthode est capable de détecter simultanément plusieurs microsphères de tailles différentes, et ce à une vitesse de détection sans précédent de plusieurs kHz pour une charge de calcul faible. Ces travaux sont fortement adaptables à un déplacement 3D en boucle ouverte de micro-objets.

    Grace à une commande en boucle fermée, nous escomptons obtenir les composants pré-orientés et pré-positionnés pour un assemblage via les techniques développées en tâche 3.1 et 3.2. Enfin, une comparaison entre la préhension électrostatique et magnétique sera extirpée des résultats expérimentaux, pour ensuite en valider la plus efficace.






Dernière modification le 13/02/2013