Design and prototyping of a micro and nanoforces sensor : Application to the measurement of oocytes compliance.
Etude, conception et réalisation d'un capteur de micro et nano-forces. Application à la mesure d'élasticité des ovocytes.
Résumé
In the microrobotic field, the handling of small objects is needed. In order to characterize interactions in the considered working dimensions, force measurements is necessary. Accordingly, we developed a force sensor which uses a passive magnetic levitation principle. Thus, we did not need control loop to ensure the levitation. Total dimensions of the sensor did not exceed a volume of 170 mm x 100 mm x 60 mm. The sensor is formed of a polymeric material leg, being used as effector, on which two permanent magnets are fixed. The leg unit and permanent magnets levitate between two graphite plates using a particular configuration of magnetic bearing. Force measurements with the developed sensor can be done mainly along three directions. The use of this sensor makes it possible to perform force measurements in the range of a few tens of nanonewton (nN) to several milliNewton (mN) with a nanNewton resolution. Both of the magnetic and diamagnetic modeling make it possible to calculate forces according to the position of the suspended magnets. This sensor is currently used for determination of the mechanical characteristics of human cells such as oocyte. This work is undertaken in close cooperation with fertilization team of the CHU of Besançon.
Dans le domaine de la microrobotique, la manipulation d'objets de petites tailles (micromécanismes, cellules, etc...) est courante. Afin de caractériser les interactions aux dimensions de travail considérées, la mesure de force en microrobotique est nécessaire. Dans cette optique, nous avons développé un capteur de forces qui repose sur un principe de lévitation magnétique passive et ne nécessitant pas d'asservissement pour assurer la lévitation. Les dimensions globales du capteur n'excèdent pas un volume total de 170 mm x 100 mm x 60 mm. Le capteur est composé d'une tige en matériau polymère, servant d'effecteur, sur laquelle sont fixés deux aimants permanents. L'ensemble tige et aimants permanents lévite entre deux plaques de graphite à l'aide d'une configuration particulière d'aimants porteurs. La mesure de force avec le capteur développé peut se faire principalement suivant trois directions. L'utilisation de ce capteur permet de couvrir une plage de mesure deforce allant de quelques dizaines de nanonewton (nN) à plusieurs milliNewton (mN) avec une résolution de mesure de l'ordre du nanoNewton (nN). Les modèles magnétiques et diamagnétique développés permettent de déterminer les forces qui s'appliquent sur l'effecteur par le biais de la connaissance de la position spatiale de la tige. En terme applicatif, le capteur de forces est actuellement utilisé pour la détermination des caractéristiques mécaniques de cellules humaines de type ovocyte. Ce travail est mené en étroite collaboration avec l'équipe de fécondation in vitro du CHU de Besançon.