Des chercheurs de l’institut FEMTO-ST ont mis au point un robot capable de manipuler des objets micrométriques à une vitesse de 720 opérations complexes par minute. Ce spectacle est lié à sa miniaturisation et sa légèreté. Il servira à assembler les systèmes micro-électro-mécaniques et optiques.
Au départ, lorsque les chercheurs de l’Institut FEMTO-ST¹ ont commencé à développer un robot appelé MiGriBot capable de manipuler des objets micrométriques, leur objectif était avant tout de les réduire. « Nous voulons participer à la transformation de l’industrie, et à la transition vers l’Industrie 4.0, a déclaré Redwan Dahmouche, maître de conférences à l’Université de Franche-Comté et chef d’équipe du projet de recherche. En créant un mini système de production, nous réduisons son empreinte écologique en économisant notamment de l’énergie, mais aussi des matières et donc des ressources naturelles. S’ils réussissent leur pari, puisque la structure robotisée n’occupe qu’une surface de 20 mm² sur 20, ils ont également réussi à concevoir le robot de ramassage et de dépôt le plus rapide au monde. Car en le rétrécissant, le robot va automatiquement plus vite, car sa vitesse est corrélée à sa masse.
MiGriBot est capable d’effectuer 720 opérations complexes par minute. Sachant qu’une opération consiste à capturer un objet, le soulever, le déplacer, le placer, le relâcher, puis le remettre à sa place d’origine. En comparaison, les robots industriels pick-and-place les plus rapides actuellement utilisés ne dépassent pas 250 cycles par minute. Avant l’institut FEMTO-ST, d’autres équipes de recherche tentaient également de développer des robots miniatures extrêmement rapides. Par exemple, en 2018, un robot de l’Université de Harvard correspondait à la vitesse du MiGriBot, mais n’avait que trois degrés de mobilité et n’intégrait pas la fonction de préhension. Plus récemment, en 2020, l’Université de Tokyo a conçu un robot capable d’effectuer les mêmes opérations que le MiGriBot, mais sa vitesse ne dépasse pas 72 opérations par minute. « Le mouvement du robot est également limité à 60 micromètres, tandis que le MiGriBot se déplace jusqu’à 600 micromètres. Cela signifie que notre robot se déplace 10 fois plus vite sur une distance 10 fois plus longue », souligne le chercheur.
Pour atteindre ces performances, le robot MiGriBot dispose de plusieurs fonctionnalités. Tout d’abord, il s’agit d’un robot parallèle, car il a quatre bras, par opposition à un robot série qui n’en a qu’un. Grâce à cette architecture, il est possible de fixer tous les actionneurs à la base du robot, ce qui permet d’alléger toute la structure du robot. « Ce qui est intéressant ici, c’est d’obtenir une structure très légère du téléphone, alors que si vous devez déplacer la structure du téléphone et son actionneur, cela a un impact sur l’augmentation de sa masse et donc sur sa vitesse », ajoute Redwan Dahmouche. Autre particularité : alors que dans tous les robots le préhenseur est un élément externe qu’il faut ajouter, ici le bras intègre automatiquement cet outil. « En intégrant le préhenseur au niveau de la structure du robot, nous avons réussi à alléger la structure alvéolaire. »
Les chercheurs ont également dû résoudre la contrainte, à savoir l’articulation mécanique, car à cette échelle, il n’y en a pas du tout. Face à cette difficulté, ils ont créé une mini jonction polymère (polydiméthylsiloxane – PDMS). Quant aux actionneurs, ils ont également une fonction piézoélectrique, ce qui les rend plus rapides. Au final, MiGriBot est capable de manipuler des micro-objets à peine visibles à l’œil nu allant de 40 micromètres à plusieurs centaines de micromètres. Grâce à sa rapidité et sa compacité, plus de 2 000 robots peuvent être placés sur 1 m² pour effectuer plus d’un million d’opérations par minute.
Des applications dans l’industrie horlogère, l’instrumentation médicale et l’aérospatial
Le robot sera utilisé pour assembler des systèmes micro-électro-mécaniques et optiques, de type MEMS (Micro-systèmes électro-mécaniques) et MOEMS (Micro-systèmes opto-électro-mécaniques), qui sont utilisés dans l’industrie électronique où travaillent -les exigences de niveau augmentent. Cela peut permettre d’augmenter les niveaux de production pour accroître la productivité et la compétitivité des producteurs, ce qui peut favoriser la délocalisation de la production vers l’Europe, l’Amérique du Nord et les pays à coût de main-d’œuvre élevé. Des applications dans l’industrie horlogère, l’instrumentation médicale, l’aérospatiale, ainsi que dans d’autres domaines sont également possibles.
Pour l’instant, il s’agit d’un prototype de laboratoire, classé sixième sur l’échelle TRL (Technology readiness level) qui en compte neuf. Le passage au stade industriel doit être assuré par de nouvelles entreprises ou industriels. En attendant, le laboratoire FEMTO-ST poursuivra ces recherches. « Une des pistes est de l’adapter pour entrer dans le domaine des nanotechnologies, pour assembler des nanocapteurs. Actuellement, ce robot est équipé de quatre extensions qui servent à renforcer son mouvement. En le supprimant, on aura le même mouvement, mais 10 fois plus précis, et plus rapide, mais aussi avec une amplitude 10 fois plus petite, qui est de 60 micromètres », a déclaré Redwan Dahmouche.
(1) L’Institut FEMTO-ST est une unité mixte de recherche, placée sous la tutelle principale du CNRS et de l’Université Bourgogne Franche-Comté (UBFC) ainsi que de l’Université de Franche-Comté (uFC), Ecole Nationale Supérieure de Mécanique . et Microtechniques (SUPMICROTECH-ENSMM) et Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM)