Nanorobotique dynamique Opérant dans un espace multidimensionel sous microscopie électronique – DyNaBot

Le projet est organisé en 4 WP techniques, un WP gestion et WP diffusion et valorisation, pour gérer un programme scientifique de 4 grands axes : (1) l’étude de la problématique de génération de mouvements robotiques à l’échelle nanométrique conduisant à la proposition d’une architecture nanorobotique originale capable d’apporter des mobilités importantes autour d’un point d’intérêt avec une précision nanométrique (2) l’étude de la problématique du contact entre le robot et son environnement conduisant à la proposition d’un capteur actif capable de contrôler ces interactions de manière dynamique à l’intérieur d’un ME (3) l’étude et la proposition d’un jumeau numérique pour l’observation 3D de l’environnement et la prédiction des état du système robotique pour aller au-delà des limites de fréquence d’acquisition des MEs (4) le développement de 2 démonstrateurs représentatifs d'applications scientifiques et industrielles typiques visant à démontrer le potentiel exceptionnel de l’approche proposée dans DyNaBot : le premier consiste à établir une cartographie 3D de propriétés élastique d’échantillons hydratées, le second consiste à réaliser un nanodispositif par assemblage robotisé.

Concrètement,lLe projet repose sur plusieurs axes complémentaires en robotique micro- et sub-millimétrique. Il développe des procédés de fabrication de structures 3D articulées, ainsi que des architectures robotiques polyarticulées intégrant des actionneurs indépendants, basés sur des principes laser ou électrothermiques. Une modélisation multiphysique permet de prédire et contrôler leur comportement selon les tâches visées. Des capteurs force-déplacement innovants mesurent finement interactions et efforts, tandis que des algorithmes assurent un contrôle précis et intuitif via interface haptique.

Le projet inclut aussi des outils pour la manipulation sous microscope électronique, permettant assemblage et caractérisation à très petite échelle. Un jumeau numérique sous Unreal Engine est développé et calibré par données AFM. Enfin, un modèle avancé décrit finement les interactions sonde-échantillon, complété par des algorithmes de pilotage assurant un contrôle précis force/position et un positionnement micrométrique automatisé.

Le projet Dynabot a généré des retombées importantes en matière de perspectives et de structuration de nouveaux projets. Ses résultats ont permis l’obtention de quatre financements majeurs à l’échelle européenne et nationale, renforçant significativement le réseau de collaboration. Parmi eux figurent les projets européens RAIDO et ITN, ainsi que les programmes PEPR Miniro et EUR StémiFib, impliquant plusieurs partenaires académiques, dont certains directement issus de Dynabot. Sur le plan scientifique, le projet se distingue également par une production notable avec de nombreux articles de revue et de conférence, dont deux finalistes pour des prix internationaux, ainsi qu’une contribution aux plateformes technologiques de l’infrastructure TIRREX.

Sur le plan scientifique et applicatif, Dynabot a permis des avancées significatives en robotique de précision et en instrumentation. Des systèmes capables de mesurer des forces et déplacements avec des résolutions nanométriques et micronewton ont été développés, ainsi que des architectures robotiques polyarticulées innovantes. Le projet a aussi validé des modèles photo-thermo-mécaniques pour l’actionnement laser et mis en œuvre un jumeau numérique sur microscope électronique. Par ailleurs, des travaux ont porté sur les sondes QTF en mode contact, avec le développement de modèles d’interaction avancés, de systèmes de micro-positionnement automatisés et de protocoles de caractérisation mécanique validés sur des matériaux polymères et biologiques, notamment des œufs de poisson-zèbre.

Enfin, les applications pratiques illustrent l’impact du projet dans plusieurs domaines industriels et scientifiques. Dynabot a permis la caractérisation précise de fibres naturelles, ouvrant la voie à leur intégration dans des composites biosourcés. Il a également introduit une approche robotique innovante pour la manipulation et l’étude de grains de lubrification solides, offrant des perspectives pour réduire les pertes énergétiques et la pollution liées aux lubrifiants liquides. Enfin, l’utilisation des sondes QTF ouvre des perspectives majeures en biologie, notamment pour l’exploration mécanique en profondeur des cellules, surpassant certaines limitations des techniques existantes comme l’AFM.

Le projet Dynabot a permis de démontrer qu’il était possible de réaliser des tâches robotisées aux petites échelles et sous microscope électronique sans avoir à faire de compromis entre niveau de performances et expertise humaine nécessaire à l’interprétation des résultats. Le projet ouvre ainsi une voie à l’utilisation de ces moyens microrobotiques au-delà des personnes spécialistes de la robotique. Ce point est fondamental puisque la majorité des utilisateurs de microscopes électroniques ne possèdent pas ou très peu de compétences en robotiques (les end users sont des biologistes, spécialistes de matériaux, de l’électronique par exemple). Nous avons ainsi démontré que des personnes peuvent utiliser des moyens robotiques de manière performantes avec une robotique « transparente » dans son utilisation ce qui la rend très pratique. L’approche du projet a été démontré sur plusieurs cas applicatifs clés et complémentaires (voir section « résultats ») montrant clairement que la robotique de précision constitue une solution très originale et permet de résoudre de manière simple des problèmes clés connus de longue date.

Ces éléments nous ont orienté vers des perspectives (macro) comme les suivantes :

- Le développement de plateformes robotiques capable de réaliser des tâches clés aux petites échelles, sur des cas applicatifs bien identifiés (montée en TRL) apparait très pertinente. Le Centre de Micro et nano Robotique crée pendant le projet DYNABOT a ainsi cette vocation à développer des plateformes issues de la recherche, résolvant des problèmes connus mais pour lesquels il n’existe pas d’offre commerciale. Nous pouvons aussi noter notre rôle dans le projet européen RAIDO sur la caractérisation de fibres naturelles pour le déploiement de composites biosourcés.

- Le déploiement de la robotique miniature à l’échelle Française, internationale, sur le plan académique mais aussi sur le plan industriel apparait plus que jamais pertinent, l’obtention récente de financements clés a placé les personnels de Dynabot en situation de coordination de ces actions (projet ITN et PEPR robotique miniature notamment)

André, A. N.; et al. «Automating Robotic Micro-Assembly of Fluidic Chips and Single Fiber Compression Tests Based-on T Visual Measurement With High-Precision Fiducial Markers«. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. Jan 2024, 21, 1, 353-366.

Adam, G.; Boudaoud, M.; Reynaud, V.; Agnus, J.; Cappelleri, D. J.; Clévy, C. An Overview of Microrobotic Systems for Microforce Sensing. Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems. 2024, 7.

Hannouch, R.; et al. «Robotic-Based Selection, Manipulation and Characterization of 3D Microscale Particles with Complex Structures in SEM«. International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS). Abu Dhabi, United Arab Emirates. 2023, 1-6.

Awde, A.; Boudaoud, M.; Macioce, M.; Régnier, S.; Clévy, C. «A Microrobotic Approach for the Intuitive Assembly of Industrial Electrooptical Sensors Based on Closed-Loop Light Feeling«. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. Dec 2022, 27, 6, 5462-5471.

Les Microscopes Electroniques (MEs) sont très répandus dans un large éventail d'applications en raison de leurs capacités de visualisation uniques et puissantes. Plusieurs technologies clés ont récemment vu le jour et permettent de réaliser à l’intérieur de ces ME (1) la fabrication additive/substrative locale par des faisceaux d'ions à l'échelle sub-micrométrique et (2) des mouvements 3D dynamiques par des systèmes nanorobotiques. Ces technologies sont particulièrement prometteuses pour la fabrication de nanodispositifs ou la caractérisation multimodale d’échantillons. Toutefois, les approches historiques fondées sur une microscopie électronique avec une vision planaire et une faible fréquence d’acquisition limitent considérablement l’exploitation de l’environnement 3D, la vitesse d’exécution des tâches et les capacités d’automatisation. Par ailleurs, l’augmentation de la cadence des tâches se heurte à la nécessité d’une maitrise dynamique des forces d’interaction afin de limiter les dommages irréversibles sur l'échantillon étudié ou le dispositif fabriqué.

Dans ce contexte, DyNaBot étudiera en profondeur le paradigme de la génération de mouvements nanorobotiques dans les MEs pour leur apporter des capacités d’exécution rapides et sures de tâches dans un environnement tridimensionnel. Cette approche, qui est en rupture à cette échelle, vise à révolutionner les capacités des MEs en les transformant en nano-usines permettant à chaque utilisateur de réaliser des tâches complexes de fabrication (additive, substractive), de manipulation, d'assemblage et de caractérisation robotisée à l'échelle sub-micrométrique. Pour cela, le projet vise à dépasser l'état de l'art en proposant une structure nanorobotique compacte et agile dotée d’un capteur de forces actif pour contrôler dynamiquement les interactions physiques et un jumeau numérique intégrant le modèle dynamique multiphysique de la plateforme et contribuant fortement à l'observation de signaux faibles permettra une utilisation intuitive centrée sur l'expertise humaine.
Le projet est organisé en 4 WP techniques, un WP gestion et WP diffusion et valorisation, pour gérer un programme scientifique de 4 grands axes : (1) l’étude de la problématique de génération de mouvements robotiques à l’échelle nanométrique conduisant à la proposition d’une architecture nanorobotique originale capable d’apporter des mobilités importantes autour d’un point d’intérêt avec une précision nanométrique (2) l’étude de la problématique du contact entre le robot et son environnement conduisant à la proposition d’un capteur actif capable de contrôler ces interactions de manière dynamique à l’intérieur d’un ME (3) l’étude et la proposition d’un jumeau numérique pour l’observation 3D de l’environnement et la prédiction des état du système robotique pour aller au-delà des limites de fréquence d’acquisition des MEs (4) le développement de 2 démonstrateurs représentatifs d'applications scientifiques et industrielles typiques visant à démontrer le potentiel exceptionnel de l’approche proposée dans DyNaBot : le premier consiste à établir une cartographie 3D de propriétés élastique d’échantillons hydratées, le second consiste à réaliser la manipulation tridimensionnelle de nanofils souples et de réaliser un nanodispotif les intégrant par assemblage robotisé.

Pour garantir le succès de DyNaBot qui offre un défi au meilleur état de l’art international, FEMTO-ST, l'ISIR et le CEA-List apporteront leur expertise complémentaire unique en modélisation et contrôle pour la nanorobotique ainsi que dans les interactions homme-robot pour l’industrie du futur en lien à la nanotechnologie.
Les impacts économiques et sociétaux de DyNaBot sont potentiellement très importants rendant possible la caractérisation massive, multi-modale et dynamique à l’intérieur de MEs ainsi que la transformation de MEs en nano-usines permettant la réalisation in-situ de processus complets et variés de fabrication de nano-dispositifs innovants.