Diamagnetically levitated and optically controlled multi-DOF digital micro-robot

Ce travail de thèse porte sur le développement d’une plateforme de micro-positionnement entièrement lévitée, sans fil et sans contact, basée sur la lévitation diamagnétique et l’actionnement optique. L’actionneur se compose d’une feuille de graphite pyrolytique lévitant au-dessus d’un réseau d’aimants permanents, avec un mouvement induit par un chauffage laser localisé permettant un actionnement sans contact mécanique, sans électronique embarquée ni contrôle en boucle fermée. A la suite d’une étude bibliographique des actionneurs planaires lévitants et non lévitants, l’actionnement diamagnétique a été retenu pour sa stabilité passive et son efficacité énergétique. L’originalité du système réside dans sa capacite à réaliser des mouvements à la fois discrets et continus dans plusieurs degrés de liberté, atteignant jusqu’à six degrés de liberté dans sa configuration la plus avancée. Un premier prototype a été modélisé et validé expérimentalement, démontrant un actionnement plan fiable avec une course de 5 mm (correspondant au pas des aimants), une répétabilité de 1,4 µm, le transport de charges allant jusqu’à 29 mg (cinq fois la masse de la feuille de graphite pyrolytique), une efficacité énergétique de 17,48 mm/J, et des vitesses atteignant 7 mm/s. Un miroir à microsystème électromécanique a été intégré pour diriger le faisceau laser, permettant l’actionnement sans fil simultané de plusieurs feuilles de graphite pyrolytique, avec des performances améliorées en termes de vitesse et d’efficacité énergétique. Des algorithmes de planification de trajectoires, tels que A* et la planification multi-agent décentralisée, ont été mis en œuvre pour assurer un déplacement sans collision de plusieurs échantillons de feuilles de graphite pyrolytique. Une plateforme multi-résolution a ensuite été introduite, composée de trois réseaux d’aimants permanents de pas différents (3 mm, 6 mm et 12 mm), permettant un mouvement à la fois rapide et précis dans un même espace de travail. Un mouvement rotationnel au-dessus du plus petit réseau a permis de réaliser un actionnement à 2,5 degrés de liberté, et une trajectoire complète sur la plateforme a été validée expérimentalement. Enfin, un actionnement avancé a été démontré à l’aide de deux plate-formes parallèles microstructurées fabriquées par polymérisation à deux photons, permettant un déplacement vertical et un mouvement entièrement découplé selon six degrés de liberté. Leurs performances ont été caractérisées et comparées expérimentalement. Ce travail établit les bases de systèmes d’actionnement diamagnétiques évolutifs, reconfigurables et sans capteurs, avec des applications en micromanipulation, dispositifs de type lab-on-chip, et robotique de précision.