MICROROBOTEX, équipement exclusif en micro et nanomanipulation

Manipuler, assembler, souder, découper, mesurer, plier, photographier… les verbes d’action ne manquent pas pour exprimer l’étendue des capacités de la plateforme µROBOTEX. Un équipement composé d’un microscope électronique à balayage (MEB), d’un système robotique à quinze degrés de liberté et d’un faisceau d’ions focalisé (FIB), le tout installé dans une chambre qui, placée sous vide, s’apparente à une salle blanche miniature. µROBOTEX est une station de micromanipulation et de micro-usinage en trois dimensions d’objets parfois invisibles à l’œil nu, avec une précision d’exécution de l’ordre de quelques nanomètres (nm). Cette machine fantastique, dont il n’existe que deux ou trois équivalents dans le monde, est la propriété de l’institut FEMTO-ST ; elle est installée dans les locaux de l’ENSMM, où Jean-Yves Rauch et Olivier Lehmann, tous deux ingénieurs de recherche au département AS2M du laboratoire, assurent son développement avec leur équipe. Guillaume Laurent, enseignant-chercheur en microrobotique à l’ENSMM, est le responsable de la plateforme. « Depuis les premiers essais en juin 2015, de nombreuses expérimentations et la conduite de différents projets ont apporté des preuves concrètes des possibilités qu’offre la station », raconte Jean-Yves Rauch.

µROBOTEX voit la vie en tout petit

Et en premier lieu la manipulation, qui s’effectue grâce à des pinces d’une dimension de 30, 60 ou 100 micromètres (µm), déplaçant des objets de taille équivalente, voire plus petits encore (10 µm). L’assemblage permet un positionnement de deux surfaces de façon complètement parallèle, avec une précision de quelques nanomètres. Cela concerne par exemple le « collage » presque parfait d’un composant au bout d’une fibre optique de 125 µm de diamètre, au plus près de son cœur dopé au germanium. Mais ce résultat, obtenu en collaboration avec le département d’optique de FEMTO-ST, ne suffit pas encore à satisfaire l’exigence des ingénieurs. « Nous allons recevoir un nouvel appareil, un détecteur grâce auquel nous saurons quels sont les atomes en présence, ainsi que leur position exacte », explique Olivier Lehmann. Dans le cas du collage sur fibre optique, la détection des atomes de germanium donnera la possibilité de positionner le composant de façon plus ajustée encore.

Dans le domaine de la métrologie, des mesures de flexo-électricité, une technique qui voit produire de l’électricité par pliage d’un matériau, seront prochainement effectuées sur des nanotubes de carbone, cette fois avec le département MN2S de FEMTO-ST. « La difficulté est de réussir à faire tenir les tubes à chacune de leurs extrémités, de trouver un système d’actionnement pour les faire plier et en même temps de mesurer l’énergie dégagée », souligne Jean-Yves Rauch. Autre projet, autres pliages, cette fois pour la réalisation de structures origamiques. Si cet art japonais est à la mode, c’est par défi technologique que les ingénieurs entendent maîtriser les angles et réaliser les assemblages qui donneront peut-être à ces structures des propriétés physiques inédites. Rappelons que ces expériences, menées en recherche fondamentale comme pour des applications industrielles, concernent des objets de tailles comparables au diamètre d’un cheveu, voire moins, avec des précisions de positionnement encore plus infimes.

Un équipement de taille

À la mesure de telles prouesses technologiques, l’équipement est lui aussi exceptionnel. Le robot est muni de deux bras manipulateurs comptant chacun six degrés de liberté, et d’une « troisième main », qui, ajoutée récemment, possède pour sa part trois degrés de liberté. L’ensemble assure au robot une dextérité hors du commun et la faculté de manipuler les objets en tous sens pour un travail en 3D.

Le MEB affiche aisément un grossissement des objets par 100 000 et peut même atteindre 300 000. « En réalité, nous travaillons le plus souvent dans une fourchette de 500 à 5 000, ce dernier chiffre correspondant à la visualisation d’un brin d’ADN » souligne Olivier Lehmann. C’est ainsi que, outre les composants optiques ou les MEMS qui constituent son cœur de cible, µROBOTEX s’intéresse aussi à la biologie, par exemple aux pollens. « Avec un agrandissement des objets de 800 fois leur taille réelle, nous obtenons une image de bien meilleure résolution qu’avec des solutions optiques. » Combinée à des calculs complexes, l’image donne alors à la plateforme la possibilité de reconstruire l’objet en volume. Cette numérisation 3D permet aux chercheurs du laboratoire Chrono-environnement de découvrir des pollens comme ils ne les ont jamais vus, et de les identifier plus facilement. Le FIB fait, lui, l’objet de développements en lien avec un injecteur de gaz pour la réalisation de dépôts en phase vapeur, à l’origine de gravures, collages et soudures de grande qualité.

Dédiée à la recherche et à la mise au point de composants toujours plus petits, moins gourmands en énergie, moins lourds, moins encombrants, la plateforme µROBOTEX, à l’instar de la plateforme MIMENTO, s’adresse à l’industrie par le biais de contrats de recherche comme de prestations de service.

Article paru dans le numéro 265 du journal en direct de juillet-août 2016.