Microrobots, les acteurs du minuscule
A l’heure des nanotechnologies, les robots doivent se faire tout petits…
Ayant déjà fait leurs preuves dans le monde des grands, les robots sont en train de montrer leur utilité quand on se rapproche de l’infiniment petit. C’est en tout cas un défi relevé par l’équipe de microrobotique du LAB*. Et il est de taille !
En effet, il ne suffit pas de miniaturiser chaque pièce d’un robot existant, puis de les assembler pour obtenir un robot de quelques millimètres : "A cette échelle, l’influence des lois physiques est complètement différente, explique Nicolas Chaillet qui dirige avec Nadine Piat le groupe de microrobotique. Il y a tout d’abord l’effet d’échelle : quand on réduit la taille d’un objet, son volume diminue beaucoup plus vite que sa surface totale. Ainsi, les forces surfaciques sont vraiment plus importantes que les forces volumiques, ce qui n’est pas le cas dans des échelles plus grandes."
La route vers le nanomonde n’est pas si simple
Un deuxième obstacle se fait de plus en plus gênant à l’approche du «nanomonde» : les lois de la mécanique classique n’y sont plus forcément valables et peuvent laisser le terrain à la physique quantique et ses règles si singulières. Autant dire que concevoir des microrobots n’est pas une tâche aisée et requiert un savoir-faire bien particulier. Des compétences bien présentes à Besançon, comme le prouvent les trois innovations suivantes, exemples parmi d’autres de ce que le visiteur pourra admirer dans les locaux du LAB. Un conseil : ne pas oublier sa loupe.
Il pèse 2 mg et mesure 3,5 mm de long pour 6 mm de large : c’est le plus petit robot à pattes du monde !  On pourrait en mettre quatre ou cinq comme lui sur un ongle ! Ses six pattes sont chacune actionnées par deux moteurs peu classiques : "Ce sont des bilames thermiques, décrit Nicolas Chaillet qui a dirigé la conception de ce spécimen. Quand on les chauffe, les deux lames ont des réactions opposées. Résultat ?  Le robot fait un pas. Ce principe est couramment utilisé en microrobotique. Comme les moteurs habituels ne sont pas adaptés à cette échelle, nous employons également des matériaux actifs, c’est-à-dire qui ont la capacité de se déformer quand on leur envoie de l’énergie."
Le plus petit robot est capable de supporter une charge de 4 grammes, soit 2 000 fois son propre poids !
Les alliages à mémoire de forme, qui composent les fameuses pattes du robot, appartiennent à cette catégorie et se déforment sous l’effet de la chaleur ou d’une énergie électrique. Pour réaliser le petit robot, dix-huit étapes technologiques et deux années ont été nécessaires, dont une grande part de travail en «salle blanche». En effet, l’assemblage des différentes couches de silicium, métaux et résine ne saurait supporter la moindre poussière, d’où la nécessité d’opérer dans des tenues dignes de cosmonautes. A voir le résultat, ces efforts n’ont pas été vains.
S’il ne pèse que 2 mg, le robot record est capable de supporter une charge de 4 grammes, soit 2000 fois son propre poids ! "Nous ne lui avons pas encore défini d’application précise car c’est le défi scientifique qui nous a guidé jusqu’ici, raconte le chercheur. Néanmoins, il est à parier que ce genre d’engin livrera bientôt de fiers services, tant dans l’exploration d’environnements confinés que dans le transport ou le positionnement de micro-objets."
Dans le domaine de la manipulation du minuscule, les microrobots vont bientôt remplacer l’homme
La manipulation de minuscules objets, naturels et artificiels, est incontestablement un domaine où les microrobots feront bientôt des prouesses. Dans cette optique, le LAB a mis au point un microrobot mobile capable de déplacer un ovocyte. Jusqu’à présent, cette manipulation, que l’on retrouve essentiellement dans les procédés de fécondation in vitro, était très difficile et confiée au seul jugé du médecin. Là, le petit pousseur, dont le diamètre variable avoisine en général les 200 micromètres, est actionné par un aimant que peut déplacer le praticien. Celui-ci voit la scène se dérouler sur un écran et manipule ainsi aisément l’ovocyte, avec des risques beaucoup plus faibles de le détériorer.
Dans ce domaine de la manipulation du minuscule, l’équipe de microrobotique du LAB ne s’est pas arrêtée là : elle a conçu une station de micromanipulation pouvant être intégrée à n’importe quel microscope électronique à balayage. Le vide est nécessaire à l’intérieur de celui-ci pour observer un objet. C’est pourquoi, si l’on voulait le contempler sous un autre angle, on devait jusqu’ici arrêter l’appareil, tourner ou déplacer l’objet puis refaire le vide. Désormais, une micropince actionnée à distance permet de manipuler avec facilité l’objet sans toutes ces contraintes. Cet outil a même une résolution de l’ordre de quelques nanomètres.
Des microrobots pour empiler des grains de sel ...
Selon les cas, l’utilisateur peut avoir besoin de différents outils, de différentes formes et tailles. Qu’importe ! "La pince est connectée au système par une connexion de type puce électronique, explique Nicolas Chaillet. Elle s’enlève et se remet donc avec aisance. Le changement d’une pince à l’autre peut également se faire sans ouvrir l’appareil. L’opérateur choisit donc l’outil le plus adapté à ses besoins dans le panel disponible et procède avec facilité au changement." Ce système a attiré l’œil des professionnels et a même valu un Micron d’or à l’équipe du LAB lors du dernier salon des microtechniques, Micronora. Lors d’une autre exhibition, un visiteur s’était amusé à empiler trois grains de sel les uns sur les autres…
Microrobot thermique : microsystème comportant 6 pattes
Manipulation en cours d'un engrenage de montre (150 µm de diamètre d'arbre) par une micropince à actionneur piézoélectrique
Mise en place du micropousseur sur le plan de travail
Système de micromanipulation
En Savoir +
Contacts :
Nicolas Chaillet, FEMTO-ST, Besançon, nicolas.chaillet@femto-st.fr
Site Web du laboratoire :
*LAB : Laboratoire d’Automatique de Besançon. Le LAB a rejoint l'institut Femto-ST en 2008