Nanotechnologie oblige, les robots doivent se faire toujours plus petits ; ayant fait leurs classes à l'échelle "macro", ils investissent peu à peu le micromonde.
Article rédigé par Pascal Belotti et Michel Fantin, agence Tech&Co.
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Leur patrie : le "micromonde", où les objets ont à peine la taille du micron. Pour y faire quoi ? Des manipulations sous microscope, des opérations sur des composants minuscules ou de l'assemblage mécanique. Voici les microrobots. Mais les systèmes employés aujourd'hui sont complexes. D'où les tendances : coopération entre robots minimalistes, nouveaux systèmes de préhension, "changeurs d'outils"... Visites au LAB, en France, à la pointe des recherches appliquées, mais aussi à l'université de Bâle et au Lawrence Berkeley National Laboratory où sont menés des travaux plus fondamentaux.
Ils ne mesurent pas plus de quelques millimètres, leur organes beaucoup moins, et ils oeuvrent à l'échelle du micron (10E-3 mm). Ils servent par exemple à assembler de très petits composants tels des pignons d'horlogerie ou des microcomposants électroniques, à manipuler des cellules biologiques ou encore à caractériser des matériaux issus des microtechnologies comme des métaux spéciaux, des résines, des poudres... Cependant, avec l'essor des nanotechnologies (10E-6 mm), ces robots miniatures sont observés à la loupe par les chercheurs, car ils doivent se faire encore plus petits. Les challenges sont nombreux.
Les lois de la physique changent
La miniaturisation de la robotique, ce n'est pas seulement une affaire de réduction des dimensions de chaque pièce de la machine. Car à l'échelle du millimètre, et encore plus du micromètre, les lois de la physique interviennent différemment sur les objets.
Première différence avec le monde à notre échelle : les forces relatives subies par les mécanismes. En effet, lorsqu'on diminue la taille d'un objet, son volume baisse beaucoup plus vite que sa surface. Ainsi, les forces en surface sont vraiment plus importantes que les forces volumiques, ce qui a des conséquences sur les frottements, comme nous le verrons plus loin. Autre changement, encore plus profond en quelque sorte : les lois de la mécanique font place dans certains cas à celle de la physique quantique. Les recherches fondamentales ou appliquées sont donc nombreuses dans le monde. D'abord, un petit tour aux Etats-Unis et en Suisse !
Moins de "nanofrottements"
L'un des problèmes de la mécanique à cette échelle réside dans la nécessité de réduire les frottements. Deux équipes, l'une américaine et l'autre suisse, ont pu récemment contrôler les phénomènes de friction par des moyens différents : vibrations et champ électrique. Les phénomènes de frottements sont bien connus et maîtrisés dans l'environnement courant. Ce n'est pas le cas à très petites dimensions. Les systèmes ultraminiaturisés présentent un rapport surface sur volume très élevé. Du coup, les frottements prennent une importance cruciale : l'énergie cinétique se transforme vite et massivement en chaleur. Inutile d'employer un lubrifiant classique : l'efficacité est estompée du fait du volume utile très réduit.
Deux équipes, travaillant séparément, sont arrivées à des résultats intéressants. En Suisse, Anisoara Socoliuc, de l'université de Bâle, a appliqué des forces vibratoires à des surfaces en contact. En Californie, Jeon Young Park du Lawrence Berkeley National Laboratory a pu contrôler le frottement à l'aide d'un champ électrique.
L'expérience suisse a consisté à utiliser la sonde d'un microscope à force atomique AFM (Atomic Force Microscope), un dispositif à très haute résolution inventé en 1986 permettant de visualiser, de mesurer et de manipuler des objets à l'échelle nanométrique. La sonde, sorte de plaque de silicium très mince, a été mise en contact avec une petite surface plane composée de chlorure de sodium (NaCl). Au mouvement du cristal, la plaque de silicium adhère au sel et connaît une série d'instabilités. L'application entre les deux surfaces d'une force perpendiculaire, sinusoïdale et entraînant des vibrations de fréquence élevée (56 kHz), fait disparaître les instabilités et limite les frottements de plus d'un facteur 100 ! La raison ? La force sinusoïdale diminue les maxima et les minima d'énergie liant le silicium et la surface cristalline (voir "Les nouvelles tendances de la microrobotique" en fin d'article).
Vibrations ou champ électrique ?
Autre "manip" : côté californien, on a employé le même type de sonde en créant un frottement non plus sur un cristal de NaCl mais sur un substrat de silicium composé de deux zones : l'une ayant subi un dopage de type "N" (c'est-à-dire avec un excès d'électrons), l'autre étant de type "P" (ayant un excès de "trous", ou encore une carence en électrons). La création d'une faible différence de potentiel (4 V) a permis de modifier les forces de frottement dans la région de dopage "P".
Certes, ici, et cela peut surprendre, les scientifiques ont seulement pu faire croître ces frottements, les multipliant par deux sans parvenir pour l'instant à en expliquer la cause. Mais cela leur suffit pour affirmer : "cet effet montre que l'on pourrait, par la simple application d'un champ électrique (facile à créer et à moduler), contrôler des dispositifs nanométriques". On peut espérer obtenir aussi une diminution. On est donc pour l'instant au stade de l'étude de ces "nanofrottements". Mais elle est essentielle dans l'optique de produire de façon industrielle, puis de commercialiser des systèmes mécaniques à l'échelle des nanotechnologies et de la microrobotique.
De façon très concrète, justement, le LAB, laboratoire d'automatique de Besançon, sous la houlette de Nicolas Chaillet, son directeur, fait autorité dans le monde par ses programmes sur les systèmes automatisés de microrobotique. "L'équipe de notre programme SAMMI - systèmes automatisés de micromanipulation et micro-assemblage - a pour objectif d'étudier et de développer des méthodes de conception, de commande et des technologies permettant l'émergence de microrobots de manipulation et, plus largement, de cellules microrobotiques flexibles et automatisées les intégrant" explique Nicolas Chaillet. En effet, il n'est pas toujours efficace de viser le "monolithisme complet" en la matière, notamment dans la mesure où les robots tendent à être de plus en plus complexes, intégrant davantage de fonctionnalités faisant appel à des techniques de fabrication non compatibles entre elles. "L'étape de micro- assemblage à partir de cellules microrobotiques automatisées devient indispensable."
SAMMI prend les choses en main
La coopération entre robots minimalistes est donc à l'ordre du jour, de même que de nouveaux systèmes de préhension ou encore des "changeurs d'outils".
Quant aux matériaux, ils sont également concernés. A ces chantiers, il faut en effet ajouter une branche tout à fait récente de la recherche, la science des matériaux qui s'adaptent automatiquement. Aussi, parmi les mots clés de la robotique de demain, notez bien l'"adaptronique"...
Le point sur :
Les nouvelles tendances de la microrobotique
1. Faire coopérer des robots minimalistes par des techniques d'approche comportementale
- L'objectif
Développer des stratégies de coopération d'entités robotiques minimalistes, aux capacités décisionnelles et perceptuelles limitées afin de réaliser des tâches complexes telles que la recherche et le transport d'objets. Les intérêts : le faible coût de chaque robot et la robustesse de l'exécution des tâches, puisque le nombre important d'entités permet de compenser la défection de certains robots.
- L'état des recherches
Les travaux du LAB ont conduit au développement du simulateur MIROCO (MIcroRObotique COllective) permettant de valider différentes stratégies de coopération, et à la réalisation d'une plate-forme expérimentale utilisant les robots ALICE développés à l'EPFL (Lausanne).
2. Améliorer la micromanipulation par préhension par doigts de serrage
2.1 Les micropréhenseurs piézoélectriques
- L'objectif
De nouveaux types de micropinces permettent non seulement des mouvements fins de prise, mais également de montée, descente et rotation pour la manipulation d'objets de quelques dizaines à quelques centaines de microns.
- L'état des recherches
Plusieurs versions de tels organes ont été étudiées, en nickel, de 180 micro-m d'épaisseur, pour la manipulation d'objets de dimensions caractéristiques de 100 micro-m à 1 mm (figures a, b, c et d). Les efforts ont aussi porté sur le design et la fabrication de nouveaux organes en silicium, réalisés par microfabrication en salle blanche. Ils présentent une épaisseur de 12 micro-m et permettent de manipuler des objets de 10 à 100 micro-m de dimension (figures e, f, g et h). Ces organes terminaux ont notamment montré leur efficacité dans le cadre d'un projet de manipulation de grains de roche de dimensions caractéristiques comprises entre 10 à 50 micro-m.
2.2 Le lâcher actif par diélectrophorèse
- L'objectif
Il s'agit d'étudier des stratégies de micromanipulation d'objets artificiels spécifiquement adaptées au milieu liquide.
- L'état des recherches
Les développements portent sur la modélisation du comportement de l'objet lors de son détachement, le meilleur contrôle de la trajectoire de l'objet et l'étude de stratégies de commande permettant d'assurer un positionnement précis après lâcher.
3. Utiliser des changeurs d'outils
- L'objectif
Jusqu'à présent, les micropinces, d'une géométrie et d'un matériau figés, devaient être changées manuellement. Dans un but de flexibilité, comment changer automatiquement d'organe terminal ?
- L'état des recherche
On parvient à réaliser une séquence d'opérations élémentaires, pour obtenir ddes microcomposants constitués de différentes pièces. La manipulation de chacune de ces pièces nécessite d'utiliser des outils dédiés et adaptés à leurs particularités (géométrie, dimensions, propriétés mécaniques). Différents types d'outils peuvent ainsi être utilisés séquentiellement pour réaliser un micro-assemblage.
A lire également : - PARK, J. Y. et coll. Electronic control of friction in silicon pn junc- tions. Science, 14 juillet 2006, vol. 313, n 5784, p. 186 - SOCOLIUC, A. et coll. Atomic-scale control of friction by actuation of nanometer-sized contacts. Science, 14 juillet 2006, vol.
