Study, modeling and measurement of adhesion forces at the microscale.
Étude, modélisation et mesure des forces d'adhésion à l'échelle microscopique.
Résumé
The behavior of microsized objects is governed by surface effects. Reliable interaction models between micro-objects and robots end-effectors are required for micromanipulation. Numerous parameters are involved in adhesion forces modeling. The influence of each of these parameters must be determined in order to control forces and especially the one which is required to split to contacting objects: the pull-off force. Moreover, at the microscale, measurements of interaction forces during a manipulation task are complex and are only available in few cases. The general approach of this work can be divided into three main steps. After a presentation of the micromanipulation context, models and measurement tools of the literature are depicted in the first step (chapter 1). Two modeling approaches are highlighted; where strengths and weaknesses of models are focused in chapter 2 in order to develop a new adhesion forces model during the second step (chapter 3). This model highlights coupling between local deformations and adhesion forces and exposes major differences between microscale and nanoscale. Finally, the objective of the third step is the correlation of the proposed model with experiments. The analysis of experimental results is presented in the chapter 4. The results show the difficulties encountered for modeling interactions between real micro-objects and highlights a scale effect on electrostatic forces.
La manipulation d'objets de tailles microscopiques, dont le comportement est régi par des effets de surfaces, nécessite des modèles d'interaction fiables entre les micro-objets et les organes terminaux des robots. De nombreux paramètres entrent en considération dans la modélisation des forces d'adhésion. Il apparaît donc nécessaire de déterminer l'influence de chacun afin de maîtriser en particulier la force à exercer pour séparer deux objets en contact dite force de pull-off. De plus, à l'échelle microscopique, la mesure des efforts d'interaction au cours de la manipulation est complexe et n'est possible que dans certains cas particuliers. L'approche générale proposée dans ce manuscrit repose sur trois étapes. Après une présentation du contexte de ces travaux, la première étape consiste à identifier les modèles et les moyens de mesure de la littérature (chapitre 1). Deux approches sont alors mises en avant pour modéliser les forces de pull-off. Les forces et les faiblesses des modèles sont étudiées plus en détail au chapitre 2 afin de développer, au cours de la seconde étape, un nouveau modèle de force d'adhésion (chapitre 3). Ce dernier met en avant le couplage entre les déformations et les forces d'adhésion et révèle des différences majeures entre les échelles microscopique et nanoscopique. Enfin, l'objectif de la troisième étape est de corréler ce modèle avec des observations expérimentales. L'analyse des résultats expérimentaux effectuée au chapitre 4 montre la difficulté de modéliser des interactions entre des micro-objets réels et met en avant un effet d'échelle s'appliquant aux forces électrostatiques.