EP4031051A1 - Dispositif de propulsion et de pilotage d'une microstructure - Google Patents

Dispositif de propulsion et de pilotage d'une microstructure

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EP4031051A1
EP4031051A1 EP20820265.5A EP20820265A EP4031051A1 EP 4031051 A1 EP4031051 A1 EP 4031051A1 EP 20820265 A EP20820265 A EP 20820265A EP 4031051 A1 EP4031051 A1 EP 4031051A1
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EP
European Patent Office
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propulsion
propulsion element
main axis
guide
rotation
Prior art date
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Pending
Application number
EP20820265.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Bertrand Duplat
Ali Oulmas
Quentin FRANCOIS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robeaute SAS
Original Assignee
Robeaute SAS
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a device for propelling and controlling a microstructure, for example a mobile flexible tube such as a stent or a catheter, or even a microrobot, intended to move in a fluid, in particular in a vessel. of a subject, such as an artery or vein, or in an organ of a subject, such as a brain, heart, liver, pancreas, etc.
  • a mobile flexible tube or a microrobot can be used to perform various biomedical operations, in particular in the context of minimally invasive surgeries or targeted therapies.
  • micro-medical device The possibility of reaching deep and functional structures without creating damage is a major challenge in minimally invasive surgery, especially in neurosurgery. Thanks to microtechnologies, it has become possible to send a completely autonomous micromedical device inside a vessel or an organ of a subject. However, such a micro-medical device requires a system allowing its propulsion and its piloting in three dimensions with a precision at least equal to the size of the device, even in a heterogeneous and sensitive environment.
  • the aim of the invention is to provide a device for propelling and controlling a microstructure, such as a flexible tube or a microrobot, ensuring efficient and reliable propulsion and piloting of the microstructure, including in a fluid environment with low Reynolds number, with an accuracy at least equal to the size of the microstructure, while preserving as much as possible the integrity of the environment in which the microstructure moves.
  • the invention relates to a device for propelling and controlling a microstructure, such as a flexible tube or a microrobot, comprising:
  • propulsion element comprising at least one portion deformable in elongation / contraction along a main axis connecting a front part and a rear part of the propulsion element;
  • At least two guide elements able, under the effect of an energy input by a respective connection to an energy source, to generate a rotation of the propulsion element respectively around a first axis of rotation and around a second axis of rotation transverse to each other and to the main axis of the propulsion element;
  • control unit configured to actuate, by selectively controlling one or more of the links to a power source, a rotation of the propulsion element about at least one axis transverse to the main axis in a coordinated manner with a deformation of the deformable portion of the elongation / contraction propulsion element along the main axis
  • the guide elements further comprising at least two guide segments based on active material deformable in a reversible manner under the effect of 'a supply of energy by a respective connection to an energy source, each guide segment being able, under the effect of an energy supply, to generate, by its deformation, a rotation of the propulsion element around an axis of rotation transverse to the main axis of the propulsion element.
  • a propulsion and control device makes it possible to control the microstructure in three dimensions, thanks to the possibility of actuating a rotation of the propulsion element around at least two axes of rotation, transverse to each other and to the main axis, in a coordinated manner with a propulsion of the microstructure obtained by a deformation of the deformable portion of the propulsion element.
  • two axes are transverse to each other when they are not parallel, which includes the case of two axes perpendicular to each other, without however being limited thereto.
  • the actuation of the rotation is carried out in a coordinated manner, in particular simultaneous or sequential, with the deformation of the deformable portion of the propulsion element, in order to obtain a desired displacement and trajectory. of the microstructure in the environment in which it moves, which is in particular a fluid environment with low Reynolds number. More precisely, the actuation of the rotation can be carried out simultaneously with the deformation of the deformable portion of the propulsion element, or sequentially with the deformation of the deformable portion of the propulsion element, ie in such a way that the rotation and the deformation are carried out one after the other, in particular in a repetitive manner.
  • a microstructure provided with the propulsion and control device according to the invention typically has an outside diameter less than or equal to 5mm, in particular less than or equal to 2mm or 1mm.
  • the propulsion element comprises at least a first guide segment and a second guide segment such that the deformation of the first guide segment generates a rotation of the propulsion element around a first perpendicular axis of rotation. to the main axis of the propulsion element, and the deformation of the second guide segment generates a rotation of the propulsion element about a second axis of rotation perpendicular to both the main axis of the element propulsion and the first axis of rotation.
  • the segment is an area of the deformable portion of the propulsion element which is coated with the active material.
  • the segment is a segment comprising a support provided with the active material which is attached to the deformable portion of the propulsion element.
  • the deformable portion of the propulsion element is made of a material having a Young's modulus included in a range going from 0.1 to 10 GPa, preferably from 0.5 to 2 GPa.
  • the front part, the rear part and the deformable portion of the propulsion element are all made up of the same one. material.
  • the material constituting the front part, the rear part and the deformable portion is a biocompatible polymer.
  • An example of a suitable material for the front part, the rear part and / or the deformable part is a UV curable hybrid inorganic-organic polymer, such as the product ORMOCLEAR manufactured by the company MICRO RESIST TECHNOLOGY GmbH.
  • At least one guide segment comprises an electroactive material or a bimetal element
  • the propulsion and piloting device comprising a source of electrical energy connected to the guide segment so as to activate its deformation.
  • the energy source is in particular a power supply connected by means of an electric wire or cable to the electroactive material or to the two-part element of the guide segment.
  • an electroactive material is a material which deforms, in particular by changing its shape or its size, under the effect of an input of electrical energy.
  • electroactive materials suitable within the scope of the invention include shape memory alloys such as Nitinol; or electroactive polymers (EAP, or Electroactive Polymers), in particular dielectric electroactive polymers and ionic electroactive polymers.
  • an ionic electroactive polymer which can be used in the context of the invention is poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT).
  • a bimetallic element is an element comprising two materials which, under the effect of a supply of heat, which can in particular be induced by an electric current when the materials are electrically conductive, deform elastically individually according to different mechanical characteristics, which creates, by their solid contact, a very accentuated deformation of the bimetal element.
  • Such bimetallic elements can be formed, in particular, by co-rolling two metal strips.
  • Examples of bimetallic elements suitable in the context of the invention are bimetallic strips of copper and steel, or bimetallic strips of iron and nickel, because they are bimetallic strips combining metallic materials having thermal expansion coefficients. very different.
  • At least one guide segment comprises a photoactive material
  • the propulsion and piloting device comprising a source of radiation, the radiation of which is emitted opposite the guide segment so as to activate its deformation.
  • the radiation source is in particular a laser source or an LED (light-emitting diode), the radiation of which is transmitted to the photoactive material of the guide segment using an optical fiber having a distal end positioned opposite the photoactive material of the guide segment. guide segment.
  • a photoactive material is a material which deforms under the effect of radiation, in particular under the effect of an input of light energy.
  • photoactive materials suitable for the purposes of the invention include liquid crystal arrays comprising azobenzene molecules.
  • the radiation source can then be a white light source, comprising all wavelengths of the visible spectrum.
  • a photoactive material which can be used in the context of the invention is an actuator based on double photosensitive liquid crystals, in particular containing an azomerocyanine dye locally converted into the hydroxyazopyridinium form by acid treatment.
  • At least two of said guide segments are configured to actuate a deformation of the deformable portion of the elongation / contraction propulsion element along the main axis when they are deformed simultaneously and to actuate a rotation of the propelling element around an axis of rotation transverse to the main axis when selectively deformed.
  • the guide segments are distributed isotropically around the main axis of the propulsion element. This results in improved control for the directional steering of the propelling element.
  • the deformable portion of the propulsion element comprises a single flexible tab arranged helically around the main axis between the part. front and rear part of the propulsion element, the flexible tab comprising at least two guide segments distributed along the flexible tab and configured to generate by their deformation a rotation of the propulsion element respectively around a first axis of rotation and around a second axis of rotation transverse to each other and to the main axis of the propulsion element.
  • the deformable portion of the propulsion element comprises at least two flexible tabs arranged helically around the main axis between the front part and the rear part of the propulsion element, the propulsion and piloting device. comprising at least one pair of guide segments, respectively on a first flexible tab and on a second flexible tab, configured to generate by their deformation a rotation of the propulsion element respectively around a first axis of rotation and around a second axis of rotation transverse to each other and to the main axis of the propulsion element.
  • the guide elements comprise at least two electromagnetic guide coils, each provided with a respective connection to a source of electrical energy, which form an electromagnetic transducer with a magnet integral with the control element.
  • propulsion the magnet being substantially parallel to the main axis of the propulsion element in the rest position, each guide coil being able, under the effect of a supply of electrical energy, to generate a rotation of the magnet with respect to its rest position causing rotation of the propulsion element about an axis of rotation transverse to the main axis of the propulsion element.
  • each electromagnetic transducer comprising a guide coil and the magnet integral with the propulsion element
  • the magnet is inserted inside the guide coil for actuating a rotation of the propulsion element.
  • Such an arrangement ensures an electromagnetic conversion efficiency making it possible to reliably and precisely control the rotation of the propulsion element by acting on the electrical connection of each guide coil.
  • the polarity of the magnet and the power supply to each guide coil are adapted in order to obtain the desired rotation of the propulsion element.
  • the propulsion and control device further comprises an electromagnetic linear actuator coil, provided with a respective connection to a source of electrical energy, which also forms an electromagnetic transducer with the magnet integral with the propulsion element, the linear actuator coil being able, under the effect of a supply of electrical energy, to generate a translation of the magnet parallel to the main axis causing a deformation of the deformable portion of the elongation / contraction propulsion element along the main axis.
  • an electromagnetic linear actuator coil provided with a respective connection to a source of electrical energy, which also forms an electromagnetic transducer with the magnet integral with the propulsion element, the linear actuator coil being able, under the effect of a supply of electrical energy, to generate a translation of the magnet parallel to the main axis causing a deformation of the deformable portion of the elongation / contraction propulsion element along the main axis.
  • At least two of said electromagnetic guide coils are configured to actuate a deformation of the deformable portion of the elongation / contraction propulsion element along the main axis when they are simultaneously supplied with electrical energy and to generate a rotation of the magnet with respect to its rest position causing a rotation of the propulsion element about an axis of rotation transverse to the main axis when they are selectively supplied.
  • each guide coil has its central axis substantially parallel to the main axis of the propulsion element. According to another embodiment, each guide coil has its central axis substantially perpendicular to the main axis of the propulsion element.
  • the number of guide coils can be any number greater than or equal to two.
  • the following arrangements can be envisaged within the framework of the invention: two guide coils arranged one behind the other in the direction of the main axis of the propulsion element, with their central axes not coincident and substantially parallel to the principal axis of the element of propulsion; two guide coils arranged side by side with their central axes substantially parallel to the main axis of the propulsion element; at least three guide coils, in particular three, four, five or six guide coils, arranged one behind the other in the direction of the main axis of the propulsion element, with their central axes not coincident and substantially parallel to the main axis of the propulsion element; at least three guide coils, in particular three, four, five or six guide coils, distributed around the main axis of the propulsion element, with their central axes substantially parallel to the main axis of the propulsion element ; at least three guide coils, in particular three, four,
  • control unit is further configured to actuate a deformation of the deformable portion of the elongation / contraction propulsion element along the main axis.
  • the propulsion and control device comprises a linear actuator, configured to actuate a deformation of the deformable portion of the propulsion element in elongation / contraction along the main axis.
  • the linear actuator comprises an electromagnetic transducer comprising a combination of an electromagnetic coil fixed to one end of the deformable portion and of a permanent magnet fixed to the other end of the deformable part.
  • the linear actuator comprises a pump. This embodiment is suitable when the deformable portion of the propulsion element can contain a fluid in its interior volume, in particular when the deformable portion has an envelope forming a continuous peripheral wall.
  • the deformable portion of the propulsion element comprises a bellows and the actuator comprises a pump.
  • the propulsion and piloting device comprises at least one propulsion eyelash integral with the front part of the propulsion element, one end of the propulsion eyelash being integral with the front part while the other end of the propelling eyelash is a free end configured to move freely so as to generate a non-reciprocal movement of the microstructure, in particular in a fluid with a low Reynolds number of between 10-5 and 10-1. Thanks to the presence of such cilia, a propulsive movement of the microstructure is obtained even in a viscous or viscoelastic material, in particular in an organ of a subject such as the brain.
  • the successive cycles of elongation / contraction of the deformable portion of the propulsion element cause a displacement of the propulsion cilia in the viscous or viscoelastic material, thus inducing a net propulsive force due to the interaction of the propulsion cilia with the viscous or viscoelastic material.
  • the path of the free end of the or each propulsion eyelash in the contraction phase of the propelling element in a low Reynolds number fluid between 10-5 and 10-1, is different from the path of the free end of the or each propelling cilium in said fluid in the elongation phase of the propulsion element.
  • the path of the free end of the propelling cilia (s) in a viscous or viscoelastic material is topologically equivalent to an elliptical path or to a circular path for each elongation / contraction cycle. of the deformable portion.
  • a free end path topologically equivalent to a line segment is not suitable for obtaining non-reciprocal microstructure motion, even if different dynamics are applied along the path.
  • the rear part of the propulsion element comprises at least one propulsion eyelash. In the context of the invention, it is understood that the presence of propulsion eyelashes only on the front part of the propulsion element is sufficient.
  • an arrangement with propelling eyelashes also provided on the rear part can help propel the microstructure in a viscous or viscoelastic material.
  • the or each propulsion eyelash of the rear part may be identical or different from the propulsion eyelash (s) of the front part of the propulsion element.
  • the or each propulsion eyelash of the front part and / or of the rear part of the propulsion element is made of a material having a Young's modulus included in a range going from 0.1 to 10 GPa. , preferably 0.5 to 2 GPa.
  • the or each propulsion eyelash is made of the same material as the deformable portion of the propulsion element.
  • the material of the propellant eyelash is a biocompatible polymer.
  • suitable materials for the propelling eyelash (s) include polydimethylsiloxane (PDMS), silicon, or a UV curable hybrid inorganic-organic polymer such as ORMOCLEAR.
  • the at least two guide elements are positioned radially outside the deformable portion.
  • the deformable portion comprises an oscillating disc arranged between the front part and the rear part, the at least two guide elements being arranged between the rear part and the oscillating disc.
  • the propulsion and piloting device comprises at least two propulsion elements arranged one behind the other, the control unit being configured to actuate cycles of deformation of the elongation / contraction propulsion elements. along their main axes according to predefined temporal sequences, so as to generate a non-reciprocal movement of the microstructure, in particular in a fluid with a low Reynolds number of between 10 5 and 10 1 .
  • a such an arrangement is another way to achieve non-reciprocal movement of the microstructure, allowing efficient movement in low Reynolds number fluids. This arrangement can be used alone or in combination with at least one propelling eyelash to generate non-reciprocal movement as described above.
  • the subject of the invention is also a microstructure comprising a propulsion and piloting device as described above.
  • the microstructure is configured to move in a low Reynolds number fluidic material, in particular a fluidic material having a Reynolds Re number between 10 5 and 10 1 .
  • the Reynolds number Re is a dimensionless quantity which quantifies the relative importance of inertial forces and viscous forces for given flow conditions.
  • a subject of the invention is also a method for propelling and controlling a microstructure, such as a flexible tube or a microrobot, comprising a propulsion and piloting device as described above, the method comprising steps in which:
  • microstructure comprising the propulsion and control device in a low Reynolds number fluid in particular between 10 5 and 10 1 ;
  • - Is actuated, by selectively controlling, with the aid of the control unit, one or more of the connections to an energy source, a rotation of the propulsion element about at least one axis transverse to the main axis of the propulsion element in a coordinated manner with a deformation of the deformable portion of the propulsion element in elongation / contraction along the main axis.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a microrobot comprising a propulsion and piloting device according to a first embodiment of the invention, with a propulsion element in the form of a helical spring with three flexible legs, each leg flexible comprising a guide segment based on electroactive material provided with a respective electrical connection;
  • FIG. 2 is a section similar to Figure 1 showing the activation of a rotational movement of the microrobot;
  • - Figure 3 is a partial perspective view on a larger scale of the propulsion element of the microrobot of Figures 1 and 2;
  • FIG. 4 is a section similar to Figure 2 for a microrobot comprising a propulsion and control device according to a second embodiment of the invention, with a propulsion element in the form of a helical spring with three flexible legs , each flexible paste comprising a guide segment based on photoactive material associated with an optical fiber transmitting a respective radiation;
  • FIG. 5 is a section similar to Figure 2 for a microrobot comprising a propulsion and control device according to a third embodiment of the invention, with a propulsion element in the form of a helical spring with two flexible legs , each flexible tab comprising a plurality of guide segments based on electroactive material, where each guide segment of each flexible tab is provided with a respective electrical connection so as to be able to be supplied independently by an electrical supply;
  • FIG. 6 is a section similar to Figure 2 for a microrobot comprising a propulsion and control device according to a fourth embodiment of the invention, with a propulsion element in the form of a helical spring with a single leg flexible comprising a plurality of guide segments based on electroactive material, where each guide segment of the flexible tab is provided with a respective electrical connection so as to be able to be supplied independently by an electrical supply;
  • FIG. 7 is a section similar to Figure 2 for a microrobot comprising a propulsion and control device according to a fifth embodiment of the invention, with two propulsion elements arranged one behind the other, the control unit being configured to actuate cycles of deformation of the elongation / contraction propulsion elements according to their main axes according to time sequences predefined in a manner to generate a non-reciprocal movement of the microstructure;
  • FIG. 8 is a section similar to Figure 1 for a microrobot comprising a propulsion and control device according to a sixth embodiment of the invention, with a propulsion element in the form of a helical spring with three flexible legs and a three-coil electromagnetic transducer comprising a linear actuator coil and two rotational guide coils each provided with a respective electrical link;
  • Figure 9 is a section similar to Figure 8 showing the activation of a rotational movement of the microrobot
  • FIG. 10 is a perspective view on a larger scale of part of the propulsion element of the microrobot of Figures 8 and 9;
  • FIG. 11 is a perspective view similar to Figure 10 of part of the propulsion element of a microrobot comprising a propulsion and piloting device according to a seventh embodiment of the invention
  • FIG. 12 is a perspective view similar to Figure 10 of part of the propulsion element of a microrobot comprising a propulsion and piloting device according to an eighth embodiment of the invention.
  • FIG. 13 is a partial perspective view similar to Figure 3 of the propulsion element of a microrobot comprising a propulsion and piloting device according to a ninth embodiment of the invention
  • - Figure 14 is a partial perspective view similar to Figure 13 of the propulsion element of a microrobot comprising a propulsion and piloting device according to a tenth embodiment of the invention
  • FIG. 15 is a partial perspective view similar to Figure 13 of the propulsion element of a microrobot comprising a propulsion and piloting device according to an eleventh embodiment of the invention
  • FIG. 16 is a partial perspective view similar to Figure 15 of the same embodiment of the invention, but in action. DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
  • the microrobot 10 is configured to move through a viscous or viscoelastic material, for example in the cerebrospinal fluid or the extracellular matrix of the brain of a subject, which are low Reynolds number fluidic materials for the microrobot.
  • the microrobot 10 comprises a propulsion and control device 1 according to the invention, to which is attached an active part 11 of the microrobot which may be, for example: a sensor; an actuator; a reservoir suitable for releasing a drug; etc.
  • the propulsion and piloting device 1 comprises a propulsion element 2 comprising a front part 21, a rear part 23, and a deformable portion 20 connecting the front part 21 and the rear part 23
  • the deformable portion 20 is a helical spring deformable in elongation / contraction along a main axis X2 of the propulsion element 2.
  • the main axis X2 of the propulsion element 2 is defined here as a central axis of the deformable portion 20 substantially perpendicular to the plane of a distal plate 230 of the rear part 23, to which the deformable portion 20 is fixed.
  • the coil spring forming the deformable portion 20 comprises three flexible tabs 22, 24, 26 arranged helically around the main axis X2 between the front part 21 and the rear part 23 of the propulsion element.
  • Each flexible tab 22, 24, 26 is provided with a respective guide segment 3, 5, 7 based on electroactive material, for example electroactive ionic polymer PEDOT.
  • Each of the three guide segments 3, 5, 7 is reversibly deformable under the effect of an input of electrical energy, and connected to a power supply 8 by a respective electrical cable 83, 85, 87.
  • Each guide segment 3, 5, 7 is able, by its deformation when it is supplied with electrical energy, to generate a deformation of the corresponding flexible tab and a rotation of the propulsion element 2.
  • the axis of the rotation generated by the deformation of the guide segment is transverse to the main axis X2 of the propulsion element as well as to the axes of the rotations generated by the deformation of each of the other two segments guidance.
  • the guide segments 3, 5, 7 are distributed isotropically around the main axis X2 of the propulsion element 2, which makes it possible to optimize the directional piloting of the propulsion element.
  • the guide segments 3, 5, 7 form, with the flexible tabs 22, 24, 26 a single versatile functional group providing both rotation and propulsion.
  • the present invention does not present a coupling of different elements each providing a distinct function.
  • the propulsion and piloting device 1 also comprises a linear actuator 4 configured to actuate sequentially elongation / contraction cycles of the deformable portion 20 of the propulsion element 2.
  • the actuator 4 is an electromagnetic transducer comprising a permanent magnet. 41 and an electromagnetic coil 42.
  • the magnet 41 is fixed to the front part 21 of the propulsion element 2, at the front end of the deformable portion 20, while the coil 42 is mounted on the rear part 23, and therefore fixed to the rear end of the deformable portion 20.
  • the magnet 41 approaches or moves away from the coil 42, which induces a contraction or an elongation of the coil. deformable portion 20.
  • the front portion 21 of the propulsion element 2 comprises on its surface a plurality of propulsion eyelashes 28, configured to interact with the material in which the microrobot 10 moves.
  • the sequential cycles of elongation / contraction of the deformable portion 20 actuated by the electromagnetic transducer 4 cause a displacement of the propelling cilia 28 in the material, producing a propulsive force which causes a displacement of the microrobot 10.
  • each propelling eyelash 28 is configured such that the path of the free end 29 of the propelling eyelash 28 in a viscous or viscoelastic material in the contraction phase of the deformable portion 20 is different from that of the free end 29 in the viscous or viscoelastic material in the elongation phase of the deformable portion 20.
  • the path of the free end 29 of the propelling eyelash 28 in a viscous or viscoelastic material is topologically equivalent to an elliptical path or a circular path for each cycle of elongation / contraction. This results in non-reciprocal movement of the microrobot 10, allowing efficient movement of the microrobot 10 in low Reynolds number fluidic materials, such as cerebrospinal fluid or the extracellular matrix of the brain.
  • the propulsion and piloting device 1 also comprises a control unit 9 configured to actuate, by selectively controlling one or more of the electrical connections 83, 85, 87, a rotation of the propulsion element 2 about at least one axis. transverse to the main axis X2.
  • the control unit 9 is also configured to actuate a deformation of the deformable portion 20 in elongation / contraction along the main axis X2.
  • the control unit 9 thus actuates a single element, the propulsion element 2, and makes it possible, by actuating this single element, to generate a propulsion and a rotation of the device 1.
  • a method of propelling and piloting the microrobot 10 in a low Reynolds number fluid comprises the selective control of one or more of the electrical links 83, 85, 87, to the aid of the control unit 9, to actuate a rotation of the propulsion element 2 about at least one axis transverse to the main axis X2 in a coordinated manner, whether simultaneously or sequentially, with a deformation of the deformable portion 20 in elongation / contraction along the main axis X2.
  • a microrobot 10 having the following characteristics exhibits good propulsion and guidance performance in low Reynolds number fluidic materials:
  • - diameter of the microrobot 10 2 mm
  • - length of the deformable portion 20 of the propulsion element 2 0.5 mm
  • - length of the linear actuator coil 42 0.5 mm
  • each propulsion eyelash 28 2500 ⁇ m 2 .
  • the front part 21, the rear part 23 and the deformable portion 20 were manufactured in one piece by 3D laser lithography using a hybrid inorganic-organic ORMOCLEAR polymer which can be UV cured as the photosensitive resin.
  • the photosensitive resin was applied to a glass substrate and a point laser selectively cured the photosensitive resin according to a 3D CAD plane.
  • the propelling eyelashes 28 were made in one piece with the front part 21, that is to say made of the same material as the front part 21.
  • the guide segments 3, 5, 7 were obtained by deposition of a layer of ionic electroactive polymer PEDOT on each of the flexible tabs 22, 24, 26 of the deformable portion 20.
  • the linear actuation coil 42 was obtained by winding a copper wire on the rear part 23.
  • the magnet 41 is a permanent neodymium magnet fixed by gluing with an acrylic adhesive on the front part 21.
  • the microrobot 10 of the second embodiment differs from the first embodiment in that the guide segments 3, 5, 7 have a photoactive material, instead of an electroactive material.
  • the propulsion and piloting device 1 comprises, for each guide segment 3, 5, 7 based on photoactive material, a dedicated radiation source, the radiation of which is brought opposite the guide segment so as to activate its deformation.
  • the photoactive material of each guide segment 3, 5, 7 is an array of liquid crystals comprising molecules of azobenzene
  • the source of radiation for each guide segment 3 , 5, 7 is a white light source, the different sources being housed in the same housing 8 '.
  • all of the guide segments 3, 5, 7 are based on the same photoactive material and, to avoid radiation interactions liable to activate the deformation of a guide segment other than the associated one.
  • the radiation is transmitted to the photoactive material of each guide segment 3, 5, 7 using a respective optical fiber 83 ', 85', 87 ', having a distal end positioned facing the photoactive material of the guide segment 3, 5, 7.
  • the guide segments 3, 5, 7 can be based on different photoactive materials, suitable for being activated by radiation of different wavelengths .
  • each guide segment 3, 5, 7 is associated with a source of radiation emitting in the wavelength range which is specific to it.
  • the radiation can be transmitted to the photoactive material of the guide segment 3, 5, 7 using an optical fiber having a distal end positioned facing the photoactive material of the guide segment.
  • the microrobot 10 of the third embodiment differs from the first embodiment in that the deformable portion 20 of the propulsion element 2 is a coil spring comprising two flexible legs 22, 24, instead of three flexible legs as in the first. embodiment.
  • the two flexible tabs 22, 24 are arranged helically around the main axis X2 between the front part 21 and the rear part 23 of the propulsion element and are each provided with three guide segments based on electroactive material, respectively 3i , 32, 33 and 5i, 52, 53.
  • the guide segments 3i, 32, 33 or 5i, 52, 53 are distributed along the flexible tab and connected to a power supply 8 by a respective electric wire, all the electric wires of the various guide segments of a flexible tab 22 or 24 passing through a cable 83 or 85.
  • the microrobot 10 of the fourth embodiment differs from the first embodiment in that the deformable portion 20 of the propulsion element 2 is a coil spring comprising a single flexible tab 22 arranged helically around the main axis X2 between the front part 21 and the rear part 23 of the propulsion element.
  • the flexible tab 22 comprises four guide segments based on electroactive material 3i, 32, 33, 34, which are distributed along the flexible tab 22 and each connected to an electrical supply 8 by a respective electrical wire, all the electrical wires various guide segments of the flexible tab 22 passing through a cable 83.
  • the guide segments 3i, 32, 33, 34 are configured to generate by their deformation a rotation of the propulsion element 2 respectively about a first axis of rotation and about a second axis of rotation transverse to each other and to the main axis X2 of the propulsion element.
  • elements similar to those of the first embodiment bear identical references.
  • the microrobot 10 of the fifth embodiment differs from the first embodiment in that the propulsion and piloting device 1 comprises two propulsion elements 2i and 2i arranged one behind the other, the control unit 9 being configured.
  • the deformable portion 201 or 202 is identical to the deformable portion 20 of the first embodiment, ie comprises three flexible tabs 22i, 24i, 26i or 22i, 242, 262 arranged helically around the main axis X21 or X22 of the propulsion element.
  • Each flexible tab 22i, 24i, 26i or 22i, 242, 262 is provided with a respective guide segment 31, 5i, 7i or 32, 52, h based on electroactive material, reversibly deformable under the effect of a supply of electrical energy, and connected to an electrical supply 81 or 82 by a respective electrical cable 83i, 85i, 87i or 832, 852, 872.
  • the propulsion and piloting device 1 of this fifth embodiment does not include a linear actuator similar to the electromagnetic transducer 4 of the previous embodiments, for sequentially actuating cycles of elongation / contraction of the deformable portion 20i or 202 of the propulsion element.
  • the guide segments 3i, 5i, 7i or 32, 52, h based on electroactive material are configured to actuate a deformation of the portion.
  • deformable 201 or 2 ⁇ 2 in elongation / contraction along the main axis X21 or X22 when they are deformed simultaneously, and to actuate a rotation of the propulsion element 2i or h around an axis of rotation transverse to the main axis X21 or X22 when selectively deformed.
  • the microrobot 10 of the sixth embodiment differs from the first embodiment in that the guide elements comprise two guide electromagnetic coils 43 and 45, instead of guide segments based on active material.
  • the guide coils 43 and 45 are each provided with a respective connection 63, 65 to a source of electrical energy 6 and form an electromagnetic transducer with a permanent magnet 41 integral with the front part 21 of the propulsion element 2.
  • the magnet 41 is substantially parallel to the main axis X2 of the propulsion element in the rest position.
  • Each of the two guide coils 43, 45 is able, under the effect of a supply of electrical energy, to generate a rotation of the magnet 41 relative to its rest position, which causes a rotation of the propulsion element 2 around an axis of rotation transverse to the main axis X2.
  • the propulsion and piloting device 1 of this sixth embodiment also comprises an electromagnetic coil 42 for linear actuation, similar to the coil 42 of the previous embodiments, which is provided with a respective link 62 to the source of. electrical energy 6 and which also forms an electromagnetic transducer with the magnet 41.
  • the linear actuator coil 42 is suitable, under the effect of a supply of electrical energy, in generating a translation of the magnet 41 parallel to the main axis X2, which causes deformation of the deformable portion 20 in elongation / contraction along the main axis X2.
  • the relative arrangement of the linear actuator coil 42 and of the guide coils 43, 45 is visible in the enlarged view of FIG. 10.
  • the respective grooves 232, 23 3 , 23s of FIG. reception of the coils 42, 43, 45 The central axis of the linear actuator coil 42 received in the groove 232 is aligned with the main axis X2 of the propulsion element 2.
  • the central axis of the control coil. guide 43 received in the groove 233 is offset with respect to the main axis X2 of the propulsion element 2, in an upward direction and in a direction sinking into the plane of the sheet in FIG. 10.
  • the central axis of the guide coil 45 received in the groove 235 is offset relative to the main axis X2 of the propulsion element 2, in a downward direction and a direction outgoing from the plane of the sheet on the figure 10.
  • the propulsion and control device 1 comprises three guide coils 43, 45, 47 (not shown) each provided with a respective connection to a source of electrical energy and configured to form an electromagnetic transducer. with a permanent magnet 41 integral with the front part of the propulsion element 2.
  • the respective grooves 23 3 , 23s, 237 for receiving the guide coils 43, 45, 47 can be seen.
  • the three coils of guide 43, 45, 47 are arranged one behind the other in the direction of the main axis X2 of the propulsion element 2, with their central axes not coincident and substantially parallel to the main axis X2.
  • the central axis of the guide coil 43 received in the groove 23 3 is offset with respect to the main axis X2 of the propulsion element 2, in a direction down and a direction sinking in the plane of the sheet in FIG. 11.
  • the central axis of the guide coil 45 received in the groove 23s is offset with respect to the main axis X2 of the propulsion element 2, in an upward direction and a direction sinking into the plane of the sheet in FIG. 11.
  • the central axis of the guide coil 47 received in the groove 237 is offset with respect to the main axis X2 of the propulsion element 2, in a downward direction and a direction emerging from the plane of the sheet in FIG. 11.
  • the three guide coils 43, 45, 47 are configured to actuate a deformation of the deformable portion 20 of the propulsion element 2. in elongation / contraction along the main axis X2 when they are simultaneously supplied with electrical energy, and to generate a rotation of the magnet 41 relative to its rest position causing a rotation of the propulsion element 2 around an axis of rotation transverse to the main axis X2 when it them are selectively fed.
  • the propulsion and control device 1 comprises a linear actuator coil 42 and three guide coils 43, 45, 47 (not shown), each provided with a respective connection to a source of electrical energy and configured to form an electromagnetic transducer with a permanent magnet 41 integral with the front part of the propulsion element 2.
  • the respective grooves 232, 23 3 , 23s, 237 for receiving the coils 42 are shown. , 43, 45, 47.
  • the linear actuator coil 42 is disposed at the rear of the propulsion element 2 with its central axis substantially parallel to the main axis X2 of the propulsion element 2, while the three guide coils 43, 45, 47 are distributed around the linear actuator coil 42 being equidistant from each other, with their central axes substantially perpendicular to the main axis X2.
  • the actuation of the deformation of the deformable portion 20 in elongation / contraction along the main axis X2 is obtained by supplying the linear actuator coil 42, while the actuation of the rotation of the 'magnet 41 with respect to its rest position, causing rotation of the propulsion 2 around an axis of rotation transverse to the main axis X2, is obtained by selectively supplying the guide coils 43, 45, 47.
  • the propulsion element 2 comprises, like the propulsion element of the embodiment illustrated in FIG. 3, a front part 21, a rear part 23, and a deformable portion 20 connecting the front part 21 and the rear part 23.
  • the deformable portion 20 is a helical spring deformable in elongation / contraction along a main axis X2 of the propulsion element 2.
  • the axis X2 is defined. in the same manner as above, as the central axis of the deformable portion 20 substantially perpendicular to the plane of the distal plate 230 of the rear part 23, to which the deformable portion 20 is fixed.
  • the coil spring forming the deformable portion 20 comprises three flexible tabs 22, 24, 26 arranged helically around the main axis X2 between the front part 21 and the rear part 23 of the propulsion element 2.
  • the helical spring forming the deformable portion 20 cooperates with at least one guide element 3, 5, 7 each extending between the front part 21 and the rear part 23 of the propulsion element 2.
  • the guide elements extend around the coil spring.
  • the coil spring extends around the at least one guide element 3, 4, 5.
  • the device 1 comprises three guide elements. guide 3, 5, 7 each forming a lug or deformable segment, arranged helically around the main axis X2 between the front part 21 and the rear part 23 of the propulsion element.
  • each deformable segment 3, 5, 7 and the flexible tabs 22, 24, 26 are regularly distributed over the circumference of the propulsion element 2, so that the element propulsion 2 has a circular alternation of flexible legs 22, 24, 26 and deformable segments 3, 5, 7.
  • each deformable segment 3, 5, 7 is radially aligned with a flexible tab 22, 24, 26 of the coil spring.
  • Each flexible tab 22, 24, 26 thus cooperates, in each of the embodiments of FIGS. 13, 14, with a guide element 3, 5, 7.
  • each deformable segment 3, 5, 7 comprises, for example, an electroactive material, for example of ionic electroactive polymer PEDOT.
  • each of the three guide elements 3, 5, 7 is reversibly deformable under the effect of an input of electrical energy.
  • Each guide element 3, 5, 7 is able, by its deformation when it is supplied with electrical energy, to generate a deformation of the corresponding flexible tab 22, 24, 26 and a rotation of the propulsion element 2.
  • the axis of the rotation generated by the deformation of the guide segment is transverse to the main axis X2 of the propulsion element 2 as well as to the axes of the rotations generated by the deformation of each of the other two guide elements.
  • the isotropic distribution of the guide segments 3, 5, 7 around the main axis X2 of the propulsion element 2 makes it possible, as for the first embodiment, to optimize the directional control of the propulsion element 2
  • the guide segments 3, 5, 7 form, with the flexible tabs 22, 24, 26 a single versatile functional group ensuring both rotation and propulsion.
  • the present invention does not present a coupling of different elements each providing a distinct function.
  • the device 1 for propelling and controlling the microrobot 10 is, like the previous embodiments, configured to move in a viscous or viscoelastic material, for example in the cerebrospinal fluid or the extracellular matrix of a subject's brain, which are low Reynolds number fluidic materials.
  • the propulsion element 2 comprises a front part 21, a rear part 23, and a rear part. deformable portion 20 connecting the front part 21 and the rear part 23.
  • the deformable part 20 is divided into a front sub-part 20A and a rear sub-part 20B, the two sub-parts 20A, 20B are connected to each other by a disc oscillating 30.
  • the oscillating disc 30 is located between the front 21 and rear 23 parts, equidistant from each of them.
  • the oscillating disc 30 has a diameter similar to the distal plate 230. However, in an embodiment not shown, the diameter of the oscillating disc 30 may be greater than that of the distal plate. 230.
  • the oscillating disc 30 is substantially parallel to the distal plate 230.
  • the oscillating disc 30 of the propulsion element 2 which comprises, on its surface, a plurality of propulsion eyelashes 28. , configured to interact with the material in which the microrobot 10 moves.
  • the sequential cycles of elongation / contraction of the deformable portion 20 cause the displacement of the propelling cilia 28 in the material, producing the propulsive force which causes a displacement of the microrobot 10.
  • the oscillating disc 30, may be advantageous, for the oscillating disc 30, to have a diameter greater than the distal plate 230, so as to facilitate the attachment of the propulsion eyelashes 28 thereon.
  • the front sub-part 20A of the deformable portion 20 is a helical spring deformable in elongation / contraction along a main axis X2 of the propulsion element 2.
  • the main axis X2 of the 'propulsion element 2 in a manner similar to the previous embodiments, such as the central axis of the deformable portion 20 substantially perpendicular to the plane of the distal plate 230 of the rear part 23, to which the deformable portion 20 is fixed.
  • the coil spring forming the front sub-part 20A of the deformable portion 20 comprises three flexible tabs 22, 24, 26 arranged helically around the main axis X2 between the front part 21 and the oscillating disc 30 of the propulsion element.
  • the rear sub-part 20B of the deformable portion 2 comprises at least one guide element 3, 5, 7 based on material electroactive, for example in ionic electroactive polymer PEDOT. More precisely, in the eleventh embodiment of the invention, the deformable portion 2 comprises three guide elements 3, 5, 7 forming guide segments 3, 5, 7. Each of the three guide segments 3, 5, 7 is reversibly deformable under the effect of a supply of electrical energy, and connected to an electrical supply. At rest, the three guide segments 3, 5, 7 have the same length. As clearly visible in FIG. 15, the guide segments 3, 5, 7 are distributed isotropically around the main axis X2 of the propulsion element 2, which makes it possible to optimize the directional control of the element. of propulsion.
  • the three guide segments 3, 5, 7 each form a tab extending between the rear part 23 of the deformable portion 2 and the oscillating disc 30. More precisely, the three guide segments are arranged helically around the main axis. X2 between the rear subpart 23 and the oscillating disc 30 of the propulsion element 2.
  • each guide segment 3, 5, 7 is capable, by its deformation when supplied with electrical energy, to generating an inclination of the oscillating disc 30. This can be seen in figure 16.
  • the oscillating disc 30 tilts in different directions, thus generating a rotary oscillating movement. This rotary oscillating movement induces a rotation of the propulsion element 2.
  • the axis of the rotation generated by the deformation of the guide segment is transverse to the main axis X2 of the propulsion element as well as the axes of the rotations generated by the deformation of each of the other two guide segments.
  • the guide segments 3, 5, 7 cooperate directly with the flexible tabs 22, 24, 26 and form with them, a single versatile functional group ensuring at faith rotation and propulsion.
  • the present invention does not present a coupling of different elements each providing a distinct function.
  • a propulsion and piloting device makes it possible to move a microstructure in 3D space reliably and precisely by actuating, in a coordinated manner, on the one hand a rotation of the element. of propulsion around at least two axes of rotation transverse to each other and to the main axis, and on the other hand a deformation of the deformable portion of the element of propulsion to generate a propulsion of the microstructure.
  • a rotation of the element. of propulsion around at least two axes of rotation transverse to each other and to the main axis, and on the other hand a deformation of the deformable portion of the element of propulsion to generate a propulsion of the microstructure.
  • all the spatial and temporal combinations to actuate the rotation and the deformation of the deformable portion of the propulsion element can be envisaged.
  • the rotation and the deformation can, as desired, be actuated simultaneously, or be actuated one after the other, which makes it possible to move the microstructure along a desired path in its environment.
  • the present invention by virtue of its small size and the reduced number of functional elements (reduction made possible by the polyfunctional aspect of the various elements, in particular of the guide segments), allows a significant gain in energy for a given displacement.
  • the deformable portion of the propulsion element is a helical spring with one, two or three flexible tabs.
  • the deformable portion of the propulsion element may comprise a spring, helical or not, having any number of flexible tabs, or else a deformable structure other than a spring, for example a bellows.
  • the deformable portion of the propulsion element can also include a combination of a spring and a bellows, each fold of the bellows being for example positioned at a coil of the spring and the bellows casing filling the space. between the successive turns of the spring.
  • the linear actuator may be an actuator other than an electromagnetic transducer such as as described above, involving an electromagnetic coil and a permanent magnet.
  • the actuator for actuating the deformation of the deformable portion in elongation / contraction may be a pump, the elongation / contraction of the deformable portion then being able to be obtained by alternating fluid inlet / outlet in the internal volume of the deformable portion actuated by the pump.
  • a propulsion and piloting device may include several guide segments having active materials of different compositions or types.
  • guide segments comprising an electroactive material can be combined with guide segments comprising a bimetal element; or guide segments comprising a photoactive material can be combined with guide segments comprising an electroactive material or a bimetal element, the various energy supply links for activating the guide segments being adapted accordingly.
  • Guide segments based on active material can also be combined with guide coils of the type of those of the embodiments of Figures 8 to 12.
  • the propulsion and control device comprises guide coils as guide elements for generating rotation of the propulsion element
  • the number of guide coils is any number greater than or equal to two
  • the guide coils can be arranged as desired one behind the other, next to each other, or even concentrically, being combined. or not with a linear actuator coil.
  • Advantageous arrangements include for example: three guide coils distributed around the main axis of the propulsion element, with their central axes substantially parallel to the main axis, being arranged equidistantly between them.
  • the guide coils can be either arranged at the rear of the propulsion element without a linear actuator coil, the actuation of the deformation of the deformable portion in elongation / contraction according to l 'main axis then being obtained by simultaneously supplying all the guide coils with electrical energy, while the actuation of the rotation of the magnet relative to its rest position, causing a rotation of the propulsion element around an axis of rotation transverse to the main axis, is obtained by supplying the guide coils selectively; either arranged at the rear of the propulsion element being combined with a linear actuator coil, the actuation of the deformation of the elongation / contraction deformable portion along the main axis then being obtained by supplying the coil d linear actuation, while actuation of the rotation of the magnet with respect
  • a propulsion and piloting device can of course be implemented to move other types of microstructures, in the medical field or in other fields, in particular a device according to the invention can be used.
  • a movable flexible tube such as a stent or catheter.

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Abstract

Ce dispositif (1) comprend : - un élément de propulsion (2) comportant au moins une portion (20) déformable en élongation/contraction selon un axe principal (X2) reliant une partie avant (21) et une partie arrière (23); - au moins deux éléments de guidage (3, 5, 7) aptes, sous l'effet d'un apport d'énergie, à générer une rotation de l'élément de propulsion (2) respectivement autour d'un premier axe de rotation et autour d'un deuxième axe de rotation transversaux entre eux et à l'axe principal (X2) de l'élément de propulsion; - une unité de contrôle (9) configurée pour actionner, une rotation de l'élément de propulsion (2) autour d'au moins un axe transversal à l'axe principal (X2) de manière coordonnée avec une déformation de la portion déformable (20) de l'élément de propulsion (2) en élongation/contraction selon l'axe principal (X2).

Description

DISPOSITIF DE PROPULSION ET DE PILOTAGE D’UNE MICROSTRUCTURE
DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de propulsion et de pilotage d’une microstructure, par exemple un tube flexible mobile tel qu’un stent ou un cathéter, ou encore un microrobot, destiné à se déplacer dans un fluide, notamment dans un vaisseau d’un sujet, tel qu’une artère ou une veine, ou dans un organe d'un sujet, tel qu’un cerveau, un cœur, un foie, un pancréas, etc. Un tube flexible mobile ou un microrobot peuvent être utilisés pour effectuer des opérations biomédicales diverses, en particulier dans le cadre de chirurgies mini-invasives ou de thérapies ciblées.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La possibilité d'atteindre des structures profondes et fonctionnelles sans créer de dommage est un défi majeur en chirurgie mini-invasive, notamment en neurochirurgie. Grâce aux microtechnologies, il est devenu possible d'envoyer un dispositif micro-médical totalement autonome à l’intérieur d’un vaisseau ou d’un organe d’un sujet. Toutefois, un tel dispositif micro-médical nécessite un système permettant sa propulsion et son pilotage en trois dimensions avec une précision au moins égale à la taille du dispositif, même dans un environnement hétérogène et sensible.
Dans ce contexte, l'invention a pour but de proposer un dispositif de propulsion et de pilotage d’une microstructure, telle qu’un tube flexible ou un microrobot, assurant une propulsion et un pilotage efficaces et fiables de la microstructure, y compris dans un environnement fluide à faible nombre de Reynolds, avec une précision au moins égale à la taille de la microstructure, tout en préservant au maximum l’intégrité de l’environnement dans lequel la microstructure se déplace. DESCRIPTION DE L’INVENTION
À cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de propulsion et de pilotage d’une microstructure, telle qu’un tube flexible ou un microrobot, comprenant :
- un élément de propulsion comportant au moins une portion déformable en élongation/contraction selon un axe principal reliant une partie avant et une partie arrière de l’élément de propulsion ;
- au moins deux éléments de guidage aptes, sous l’effet d’un apport d’énergie par une liaison respective à une source d’énergie, à générer une rotation de l’élément de propulsion respectivement autour d’un premier axe de rotation et autour d’un deuxième axe de rotation transversaux entre eux et à l’axe principal de l’élément de propulsion ;
- une unité de contrôle configurée pour actionner, en commandant sélectivement une ou plusieurs des liaisons à une source d’énergie, une rotation de l’élément de propulsion autour d’au moins un axe transversal à l’axe principal de manière coordonnée avec une déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion en élongation/contraction selon l’axe principal, les éléments de guidage comprenant, en outre, au moins deux segments de guidage à base de matériau actif déformable de manière réversible sous l’effet d’un apport d’énergie par une liaison respective à une source d’énergie, chaque segment de guidage étant apte, sous l’effet d’un apport d’énergie, à générer par sa déformation une rotation de l’élément de propulsion autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal de l’élément de propulsion.
Un dispositif de propulsion et de pilotage selon l’invention permet de piloter la microstructure selon trois dimensions, grâce à la possibilité d’actionner une rotation de l’élément de propulsion autour d’au moins deux axes de rotation, transversaux entre eux et à l’axe principal, de manière coordonnée avec une propulsion de la microstructure obtenue par une déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion. Au sens de l’invention, deux axes sont transversaux entre eux lorsqu’ils ne sont pas parallèles, ce qui inclut le cas de deux axes perpendiculaires entre eux, sans pour autant y être limité. Dans le cadre de l’invention, l’actionnement de la rotation est réalisé de manière coordonnée, en particulier simultanée ou séquentielle, avec la déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion, afin d’obtenir un déplacement et une trajectoire souhaités de la microstructure dans l’environnement dans lequel elle se déplace, qui est notamment un environnement fluide à faible nombre de Reynolds. Plus précisément, l’actionnement de la rotation peut être réalisé de manière simultanée avec la déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion, ou de manière séquentielle avec la déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion i.e. de telle sorte que la rotation et la déformation sont opérées l’une à la suite de l’autre, notamment de manière répétitive.
Dans le cadre de l’invention, une microstructure munie du dispositif de propulsion et de pilotage selon l’invention a typiquement un diamètre extérieur inférieur ou égal à 5mm, en particulier inférieur ou égal à 2mm ou 1mm.
Selon une caractéristique, l’élément de propulsion comprend au moins un premier segment de guidage et un deuxième segment de guidage tels que la déformation du premier segment de guidage génère une rotation de l’élément de propulsion autour d’un premier axe de rotation perpendiculaire à l’axe principal de l’élément de propulsion, et la déformation du deuxième segment de guidage génère une rotation de l’élément de propulsion autour d’un deuxième axe de rotation perpendiculaire à la fois à l’axe principal de l’élément de propulsion et au premier axe de rotation.
Selon une réalisation d’un segment de guidage, le segment est une zone de la portion déformable de l’élément de propulsion qui est revêtue du matériau actif. Selon une autre réalisation d’un segment de guidage, le segment est un segment comprenant un support pourvu du matériau actif qui est rapporté sur la portion déformable de l’élément de propulsion.
Selon un mode de réalisation, la portion déformable de l’élément de propulsion est en un matériau ayant un module de Young compris dans une gamme allant de 0,1 à 10 GPa, de préférence de 0,5 à 2 GPa. Dans un mode de réalisation, la partie avant, la partie arrière et la portion déformable de l’élément de propulsion sont toutes constituées en un même matériau. Dans un mode de réalisation, le matériau constitutif de la partie avant, la partie arrière et la portion déformable est un polymère biocompatible. Un exemple de matériau approprié pour la partie avant, la partie arrière et/ou la portion déformable est un polymère inorganique-organique hybride durcissable aux UV, tel que le produit ORMOCLEAR fabriqué par la société MICRO RESIST TECHNOLOGY GmbH.
Dans un mode de réalisation, au moins un segment de guidage comporte un matériau électroactif ou un élément bilame, le dispositif de propulsion et de pilotage comprenant une source d’énergie électrique connectée au segment de guidage de manière à activer sa déformation. La source d’énergie est notamment une alimentation électrique reliée à l’aide d’un fil ou câble électrique au matériau électroactif ou à l’élément bilamedu segment de guidage.
Au sens de l’invention, un matériau électroactif est un matériau qui se déforme, notamment par changement de sa forme ou de sa taille, sous l’effet d’un apport d’énergie électrique. Des exemples de matériaux électroactifs appropriés dans le cadre de l’invention comprennent les alliages à mémoire de forme tels que le Nitinol ; ou les polymères électroactifs (EAP, ou Electroactive Polymers), en particulier les polymères électroactifs diélectriques et les polymères électroactifs ioniques. A titre d’exemple non limitatif, un polymère électroactif ionique utilisable dans le cadre de l’invention est lepoly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT). Au sens de l’invention, un élément bilame est un élément comportant deux matériaux qui, sous l’effet d’un apport de chaleur, lequel peut notamment être induit par un courant électrique lorsque les matériaux sont conducteurs électriques, se déforment élastiquement individuellement suivant des caractéristiques mécaniques différentes, ce qui crée, de par leur contact solide, une déformation très accentuée de l’élément bilame. De tels éléments bilames peuvent être formés, notamment, par co-laminage de deux bandes de métal. Des exemples d’éléments bilames appropriés dans le cadre de l’invention sont les bilames de cuivre et d’acier, ou les bilames de fer et de nickel, car il s’agit de bilames associant des matériaux métalliques ayant des coefficients de dilatation thermique très différents. Dans un mode de réalisation, au moins un segment de guidage comporte un matériau photoactif, le dispositif de propulsion et de pilotage comprenant une source de rayonnement dont le rayonnement est émis en regard du segment de guidage de manière à activer sa déformation. La source de rayonnement est notamment une source laser ou une LED (diode électroluminescente) dont le rayonnement est transmis jusqu’au matériau photoactif du segment de guidage à l’aide d’une fibre optique ayant une extrémité distale positionnée en regard du matériau photoactif du segment de guidage.
Au sens de l’invention, un matériau photoactif est un matériau qui se déforme sous l’effet d’un rayonnement, en particulier sous l’effet d’un apport d’énergie lumineuse. Des exemples de matériaux photoactifs appropriés dans le cadre de l’invention comprennent les réseaux de cristaux liquides comprenant des molécules d'azobenzène. La source de rayonnement peut alors être une source de lumière blanche, comprenant toutes les longueurs d’onde du spectre visible. A titre d’exemple non limitatif, un matériau photoactif utilisable dans le cadre de l’invention est un actionneur à base de cristaux liquides double photo-sensible, contenant en particulier un colorant d’azomérocyanine converti localement en forme hydroxyazopyridinium par traitement acide.
Selon une caractéristique, au moins deux desdits segments de guidage sont configurés pour actionner une déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion en élongation/contraction selon l’axe principal lorsqu’ils sont déformés simultanément et pour actionner une rotation de l’élément de propulsion autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal lorsqu’ils sont déformés sélectivement. En apportant de l’énergie de manière sélective aux segments de guidage, il est alors possible d’actionner une rotation et une déformation en élongation/contraction de l’élément de propulsion, ce qui permet d’assurer un pilotage directionnel et une propulsion de la microstructure. Selon une caractéristique, les segments de guidage sont répartis de manière isotrope autour de l’axe principal de l’élément de propulsion. Il en résulte un contrôle amélioré pour le pilotage directionnel de l’élément de propulsion.
Selon une réalisation, la portion déformable de l’élément de propulsion comprend une unique patte flexible disposée hélicoïdalement autour de l’axe principal entre la partie avant et la partie arrière de l’élément de propulsion, la patte flexible comportant au moins deux segments de guidage répartis le long de la patte flexible et configurés pour générer par leur déformation une rotation de l’élément de propulsion respectivement autour d’un premier axe de rotation et autour d’un deuxième axe de rotation transversaux entre eux et à l’axe principal de l’élément de propulsion.
Selon une autre réalisation, la portion déformable de l’élément de propulsion comprend au moins deux pattes flexibles disposées hélicoïdalement autour de l’axe principal entre la partie avant et la partie arrière de l’élément de propulsion, le dispositif de propulsion et de pilotage comportant au moins une paire de segments de guidage, respectivement sur une première patte flexible et sur une deuxième patte flexible, configurés pour générer par leur déformation une rotation de l’élément de propulsion respectivement autour d’un premier axe de rotation et autour d’un deuxième axe de rotation transversaux entre eux et à l’axe principal de l’élément de propulsion.
Selon un aspect de l’invention, les éléments de guidage comprennent au moins deux bobines électromagnétiques de guidage, munies chacune d’une liaison respective à une source d’énergie électrique, qui forment un transducteur électromagnétique avec un aimant solidaire de l’élément de propulsion, l’aimant étant sensiblement parallèle à l’axe principal de l’élément de propulsion en position de repos, chaque bobine de guidage étant apte, sous l’effet d’un apport d’énergie électrique, à générer une rotation de l’aimant par rapport à sa position de repos entraînant une rotation de l’élément de propulsion autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal de l’élément de propulsion.
Selon une caractéristique, pour chaque transducteur électromagnétique comprenant une bobine de guidage et l’aimant solidaire de l’élément de propulsion, l’aimant est inséré à l’intérieur de la bobine de guidage pour l’actionnement d’une rotation de l’élément de propulsion. Un tel agencement assure un rendement de conversion électromagnétique permettant de contrôler de manière fiable et précise la rotation de l’élément de propulsion en agissant sur la liaison électrique de chaque bobine de guidage. Bien entendu, la polarité de l’aimant et l’alimentation de chaque bobine de guidage sont adaptées afin d’obtenir la rotation souhaitée de l’élément de propulsion. Selon une réalisation, le dispositif de propulsion et de pilotage comprend en outre une bobine électromagnétique d’actionnement linéaire, munie d’une liaison respective à une source d’énergie électrique, qui forme également un transducteur électromagnétique avec l’aimant solidaire de l’élément de propulsion, la bobine d’actionnement linéaire étant apte, sous l’effet d’un apport d’énergie électrique, à générer une translation de l’aimant parallèlement à l’axe principal entraînant une déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion en élongation/contraction selon l’axe principal. En alimentant électriquement de manière sélective les bobines de guidage et la bobine d’actionnement linéaire, il est alors possible d’actionner une rotation et une déformation en élongation/contraction de l’élément de propulsion, ce qui permet d’assurer un pilotage directionnel et une propulsion de la microstructure.
Selon une autre réalisation, au moins deux desdites bobines électromagnétiques de guidage sont configurées pour actionner une déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion en élongation/contraction selon l’axe principal lorsqu’elles sont alimentées simultanément en énergie électrique et pour générer une rotation de l’aimant par rapport à sa position de repos entraînant une rotation de l’élément de propulsion autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal lorsqu’elles sont alimentées sélectivement. En alimentant électriquement de manière sélective les bobines de guidage, e.g. de manière simultanée ou successive, il est alors possible d’actionner une rotation et une déformation en élongation/contraction de l’élément de propulsion, ce qui permet d’assurer un pilotage directionnel et une propulsion de la microstructure.
Selon un mode de réalisation, chaque bobine de guidage a son axe central sensiblement parallèle à l’axe principal de l’élément de propulsion. Selon un autre mode de réalisation, chaque bobine de guidage a son axe central sensiblement perpendiculaire à l’axe principal de l’élément de propulsion.
Le nombre de bobines de guidage peut être tout nombre supérieur ou égal à deux. En particulier, de manière non limitative, les agencements suivants peuvent être envisagés dans le cadre de l’invention : deux bobines de guidage disposées l’une derrière l’autre selon la direction de l’axe principal de l’élément de propulsion, avec leurs axes centraux non confondus et sensiblement parallèles à l’axe principal de l’élément de propulsion ; deux bobines de guidage disposées côte à côte avec leurs axes centraux sensiblement parallèles à l’axe principal de l’élément de propulsion ; au moins trois bobines de guidage, notamment trois, quatre, cinq ou six bobines de guidage, disposées les unes derrière les autres selon la direction de l’axe principal de l’élément de propulsion, avec leurs axes centraux non confondus et sensiblement parallèles à l’axe principal de l’élément de propulsion ; au moins trois bobines de guidage, notamment trois, quatre, cinq ou six bobines de guidage, réparties autour de l’axe principal de l’élément de propulsion, avec leurs axes centraux sensiblement parallèles à l’axe principal de l’élément de propulsion ; au moins trois bobines de guidage, notamment trois, quatre, cinq ou six bobines de guidage, réparties autour de l’axe principal de l’élément de propulsion, avec leurs axes centraux sensiblement perpendiculaires à l’axe principal de l’élément de propulsion.
Selon une caractéristique, l’unité de contrôle est configurée en outre pour actionner une déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion en élongation/contraction selon l’axe principal. Ainsi, il est possible de coordonner de manière optimale l’actionnement de la rotation de l’élément de propulsion et l’actionnement de la déformation en élongation/contraction de l’élément de propulsion.
Selon une caractéristique, le dispositif de propulsion et de pilotage comprend un actionneur linéaire, configuré pour actionner une déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion en élongation/contraction selon l’axe principal. Selon un mode de réalisation, l'actionneur linéaire comprend un transducteur électromagnétique comportant une combinaison d'une bobine électromagnétique fixée à une extrémité de la portion déformable et d'un aimant permanent fixé à l'autre extrémité de la partie déformable. Selon un mode de réalisation, l'actionneur linéaire comprend une pompe. Ce mode de réalisation convient lorsque la portion déformable de l’élément de propulsion peut contenir un fluide dans son volume intérieur, en particulier lorsque la portion déformable a une enveloppe formant une paroi périphérique continue. Dans un mode de réalisation, la portion déformable de l’élément de propulsion comprend un soufflet et l'actionneur comprend une pompe. Dans un mode de réalisation, le dispositif de propulsion et de pilotage comprend au moins un cil de propulsion solidaire de la partie avant de l’élément de propulsion, une extrémité du cil de propulsion étant solidaire de la partie avant tandis que l’autre extrémité du cil de propulsion est une extrémité libre configurée pour se déplacer librement de manière à générer un mouvement non réciproque de la microstructure, notamment dans un fluide à faible nombre de Reynolds compris entre 10-5 et 10-1. Grâce à la présence de tels cils, un mouvement de propulsion de la microstructure est obtenu même dans un matériau visqueux ou viscoélastique, en particulier dans un organe d’un sujet tel que le cerveau. Les cycles successifs d’élongation/contraction de la portion déformable de l’élément de propulsion entraînent un déplacement des cils de propulsion dans le matériau visqueux ou viscoélastique, induisant ainsi une force propulsive nette du fait de l’interaction des cils de propulsion avec le matériau visqueux ou viscoélastique.
Selon une caractéristique, pour chaque cycle de déformation en élongation/contraction de la portion déformable de l’élément de propulsion selon son axe principal, le trajet de l’extrémité libre du ou de chaque cil de propulsion dans la phase de contraction de l’élément de propulsion, dans un fluide à faible nombre de Reynolds compris entre 10-5 et 10-1, est différent du trajet de l’extrémité libre du ou de chaque cil de propulsion dans ledit fluide dans la phase d’élongation de l’élément de propulsion. Une telle mise en œuvre des cils de propulsion par rapport aux phases d'élongation et de contraction de la portion déformable permet d’obtenir un mouvement non réciproque de la microstructure, ce qui permet un déplacement efficace au sein de matériaux fluidiques à faible nombre de Reynolds.
En particulier, dans des modes de réalisation non limitatifs, le trajet de l’extrémité libre du ou des cils de propulsion dans un matériau visqueux ou viscoélastique est topologiquement équivalent à un trajet elliptique ou à un trajet circulaire pour chaque cycle d'élongation/contraction de la portion déformable. Il est à noter qu'un trajet de l'extrémité libre topologiquement équivalent à un segment de droite n'est pas approprié pour obtenir un mouvement non réciproque de la microstructure, même si des dynamiques différentes sont appliquées le long du trajet. Selon un mode de réalisation, la partie arrière de l’élément de propulsion comprend au moins un cil de propulsion. Dans le cadre de l'invention, il est entendu que la présence de cils de propulsion uniquement sur la partie avant de l’élément de propulsion est suffisante. Cependant, un agencement avec des cils de propulsion prévus également sur la partie arrière peut contribuer à la propulsion de la microstructure dans un matériau visqueux ou viscoélastique. Selon un mode de réalisation, lorsque la partie arrière de l’élément de propulsion comporte à sa surface au moins un cil de propulsion, le ou chaque cil de propulsion de la partie arrière peut être identique ou différent du ou des cils de propulsion de la partie avant de l’élément de propulsion. Selon un mode de réalisation, le ou chaque cil de propulsion de la partie avant et/ou de la partie arrière de l’élément de propulsion est en un matériau ayant un module de Young compris dans une gamme allant de 0,1 à 10 GPa, de préférence de 0,5 à 2 GPa. Selon un mode de réalisation, le ou chaque cil de propulsion est réalisé dans le même matériau que la portion déformable de l’élément de propulsion. Dans un mode de réalisation, le matériau du cil de propulsion est un polymère biocompatible. Des exemples de matériaux appropriés pour le ou les cils de propulsion comprennent le polydiméthylsiloxane (PDMS), le silicium, ou un polymère inorganique-organique hybride durcissable aux UV tel que ORMOCLEAR.
Selon un mode de réalisation, les au-moins deux éléments de guidage sont positionnés radialement à l’extérieur de la portion déformable.
Selon un mode de réalisation, la portion déformable comporte un disque oscillant disposé entre la partie avant et la partie arrière, les au-moins deux éléments de guidage étant disposés entre la partie arrière et le disque oscillant.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de propulsion et de pilotage comprend au moins deux éléments de propulsion agencés l’un derrière l’autre, l’unité de contrôle étant configurée pour actionner des cycles de déformation des éléments de propulsion en élongation/contraction selon leurs axes principaux selon des séquences temporelles prédéfinies, ceci de manière à générer un mouvement non réciproque de la microstructure, en particulier dans un fluide à faible nombre de Reynolds compris entre 105 et 10 1. Un tel agencement est un autre moyen d’obtenir un mouvement non réciproque de la microstructure, permettant un déplacement efficace dans des fluides à faible nombre de Reynolds. Cet agencement peut être utilisé seul ou en combinaison avec au moins un cil de propulsion pour générer un mouvement non réciproque tel que décrit ci-dessus. L’invention a également pour objet une microstructure comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage tel que décrit ci-dessus. Selon un aspect de l’invention, la microstructure est configurée pour se déplacer dans un matériau fluidique à faible nombre de Reynolds, notamment un matériau fluidique ayant un nombre de Reynolds Re compris entre 105 et 10 1. De manière connue, le nombre de Reynolds Re est une quantité sans dimension qui quantifie l'importance relative des forces d'inertie et des forces visqueuses pour des conditions d'écoulement données. Le nombre de Reynolds Re peut être exprimé par le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses dans un fluide : Re = où u est la vitesse moyenne du fluide par rapport à l'objet, L est une dimension linéaire caractéristique, v est la viscosité cinématique du fluide. L’invention a également pour objet une méthode de propulsion et de pilotage d’une microstructure, telle qu’un tube flexible ou un microrobot, comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage tel que décrit ci-dessus, la méthode comprenant des étapes dans lesquelles :
- on introduit la microstructure comprenant le dispositif de propulsion et de pilotage dans un fluide à faible nombre de Reynolds notamment compris entre 105 et 10 1 ;
- on actionne, en commandant sélectivement, à l’aide de l’unité de contrôle, une ou plusieurs des liaisons à une source d’énergie, une rotation de l’élément de propulsion autour d’au moins un axe transversal à l’axe principal de l’élément de propulsion de manière coordonnée avec une déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion en élongation/contraction selon l’axe principal.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront dans la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation d’un dispositif et d’une méthode de propulsion et de pilotage d’une microstructure selon l’invention, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une coupe schématique d’un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un premier mode de réalisation de l’invention, avec un élément de propulsion sous forme d’un ressort hélicoïdal à trois pattes flexibles, chaque patte flexible comprenant un segment de guidage à base de matériau électroactif muni d’une liaison électrique respective ;
- la figure 2 est une coupe analogue à la figure 1 montrant l’activation d’un mouvement de rotation du microrobot ; - la figure 3 est une vue en perspective partielle et à plus grande échelle de l’élément de propulsion du microrobot des figures 1 et 2 ;
- la figure 4 est une coupe analogue à la figure 2 pour un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, avec un élément de propulsion sous forme d’un ressort hélicoïdal à trois pattes flexibles, chaque pate flexible comprenant un segment de guidage à base de matériau photoactif associé à une fibre optique transmettant un rayonnement respectif ;
- la figure 5 est une coupe analogue à la figure 2 pour un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un troisième mode de réalisation de l’invention, avec un élément de propulsion sous forme d’un ressort hélicoïdal à deux pattes flexibles, chaque patte flexible comprenant une pluralité de segments de guidage à base de matériau électroactif, où chaque segment de guidage de chaque patte flexible est muni d’une liaison électrique respective de manière à pouvoir être alimenté de manière indépendante par une alimentation électrique ;
- la figure 6 est une coupe analogue à la figure 2 pour un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un quatrième mode de réalisation de l’invention, avec un élément de propulsion sous forme d’un ressort hélicoïdal à une unique patte flexible comprenant une pluralité de segments de guidage à base de matériau électroactif, où chaque segment de guidage de la patte flexible est muni d’une liaison électrique respective de manière à pouvoir être alimenté de manière indépendante par une alimentation électrique ;
- la figure 7 est une coupe analogue à la figure 2 pour un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un cinquième mode de réalisation de l’invention, avec deux éléments de propulsion agencés l’un derrière l’autre, l’unité de contrôle étant configurée pour actionner des cycles de déformation des éléments de propulsion en élongation/contraction selon leurs axes principaux selon des séquences temporelles prédéfinies de manière à générer un mouvement non réciproque de la microstructure ;
- la figure 8 est une coupe analogue à la figure 1 pour un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un sixième mode de réalisation de l’invention, avec un élément de propulsion sous forme d’un ressort hélicoïdal à trois pattes flexibles et un transducteur électromagnétique à trois bobines comprenant une bobine d’actionnement linéaire et deux bobines de guidage en rotation munies chacune d’une liaison électrique respective ;
- la figure 9 est une coupe analogue à la figure 8 montrant l’activation d’un mouvement de rotation du microrobot ;
- la figure 10 est une vue en perspective à plus grande échelle d’une partie de l’élément de propulsion du microrobot des figures 8 et 9 ;
- la figure 11 est une vue en perspective analogue à la figure 10 d’une partie de l’élément de propulsion d’un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un septième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 12 est une vue en perspective analogue à la figure 10 d’une partie de l’élément de propulsion d’un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un huitième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 13 est une vue en perspective partielle analogue à la figure 3 de l’élément de propulsion d’un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un neuvième mode de réalisation de l’invention ; - la figure 14 est une vue en perspective partielle analogue à la figure 13 de l’élément de propulsion d’un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un dixième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 15 est une vue en perspective partielle analogue à la figure 13 de l’élément de propulsion d’un microrobot comprenant un dispositif de propulsion et de pilotage selon un onzième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 16 est une vue en perspective partielle analogue à la figure 15 du même mode de réalisation de l’invention, mais en action. DESCRIPTION DE MODES DE RÉALISATION
Dans le premier mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 3, le microrobot 10 est configuré pour se déplacer dans un matériau visqueux ou viscoélastique, par exemple dans le liquide céphalo-rachidien ou la matrice extracellulaire du cerveau d'un sujet, qui sont des matériaux fluidiques à faible nombre de Reynolds pour le microrobot. Le microrobot 10 comprend un dispositif 1 de propulsion et de pilotage selon l’invention, auquel est fixé une partie active 11 du microrobot qui peut être, par exemple : un capteur ; un actionneur ; un réservoir propre à libérer un médicament ; etc.
Comme bien visible sur les figures 1 et 2, le dispositif 1 de propulsion et de pilotage comprend un élément de propulsion 2 comportant une partie avant 21, une partie arrière 23, et une portion déformable 20 reliant la partie avant 21 et la partie arrière 23. Dans ce premier mode de réalisation, la portion déformable 20 est un ressort hélicoïdal déformable en élongation/contraction selon un axe principal X2 de l’élément de propulsion 2. On définit ici l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2 comme un axe central de la portion déformable 20 sensiblement perpendiculaire au plan d’une plaque distale 230 de la partie arrière 23, à laquelle la portion déformable 20 est fixée.
Le ressort hélicoïdal formant la portion déformable 20 comprend trois pattes flexibles 22, 24, 26 disposées hélicoïdalement autour de l’axe principal X2 entre la partie avant 21 et la partie arrière 23 de l’élément de propulsion. Chaque patte flexible 22, 24, 26 est munie d’un segment de guidage respectif 3, 5, 7 à base de matériau électroactif, par exemple en polymère électroactif ionique PEDOT. Chacun des trois segments de guidage 3, 5, 7 est déformable de manière réversible sous l’effet d’un apport d’énergie électrique, et relié à une alimentation électrique 8 par un câble électrique respectif 83, 85, 87.
Chaque segment de guidage 3, 5, 7 est apte, par sa déformation lorsqu’il est alimenté en énergie électrique, à générer une déformation de la patte flexible correspondante et une rotation de l’élément de propulsion 2. Pour chaque segment de guidage 3, 5, 7, l’axe de la rotation générée par la déformation du segment de guidage est transversal à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion ainsi qu’aux axes des rotations générées par la déformation de chacun des deux autres segments de guidage. Comme bien visible sur la vue à plus grande échelle de la figure 3, les segments de guidage 3, 5, 7 sont répartis de manière isotrope autour de l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, ce qui permet d’optimiser le pilotage directionnel de l’élément de propulsion. Ainsi, dans la présente invention, les segments de guidage 3, 5, 7 forment, avec les pattes flexibles 22, 24, 26 un unique groupement fonctionnel polyvalent assurant à la foi la rotation et la propulsion. La présente invention ne présente pas de couplage de différents éléments assurant chacun une fonction distincte.
Le dispositif 1 de propulsion et de pilotage comprend également un actionneur linéaire 4 configuré pour actionner séquentiellement des cycles d’élongation/contraction de la portion déformable 20 de l’élément de propulsion 2. L'actionneur 4 est un transducteur électromagnétique comprenant un aimant permanent 41 et une bobine électromagnétique 42. L’aimant 41 est fixé à la partie avant 21 de l’élément de propulsion 2, à l’extrémité avant de la portion déformable 20, tandis que la bobine 42 est montée sur la partie arrière 23, et donc fixée à l’extrémité arrière de la portion déformable 20. En fonction du courant électrique appliqué à la bobine 42, l’aimant 41 se rapproche ou s’éloigne de la bobine 42, ce qui induit une contraction ou une élongation de la portion déformable 20.
Comme montré sur les figures 1 et 2, la partie avant 21 de l’élément de propulsion 2 comprend à sa surface une pluralité de cils de propulsion 28, configurés pour interagir avec le matériau dans lequel le microrobot 10 se déplace. Les cycles séquentiels d’élongation/contraction de la portion déformable 20 actionnés par le transducteur électromagnétique 4 entraînent un déplacement des cils de propulsion 28 dans le matériau, produisant une force propulsive qui entraîne un déplacement du microrobot 10.
Pour chaque cycle d’élongation/contraction de la portion déformable 20 actionné par le transducteur électromagnétique 4, chaque cil de propulsion 28 est configuré de telle sorte que le trajet de l'extrémité libre 29 du cil de propulsion 28 dans un matériau visqueux ou viscoélastique dans la phase de contraction de la portion déformable 20 est différent de celui de l’extrémité libre 29 dans le matériau visqueux ou viscoélastique dans la phase d'élongation de la portion déformable 20. De manière avantageuse, le trajet de l'extrémité libre 29 du cil de propulsion 28 dans un matériau visqueux ou viscoélastique est topologiquement équivalent à un trajet elliptique ou un trajet circulaire pour chaque cycle d'élongation/contraction. On obtient ainsi un mouvement non réciproque du microrobot 10, permettant un déplacement efficace du microrobot 10 dans des matériaux fluidiques à faible nombre de Reynolds, tels que le liquide céphalo-rachidien ou la matrice extracellulaire du cerveau.
Le dispositif 1 de propulsion et de pilotage comprend également une unité de contrôle 9 configurée pour actionner, en commandant sélectivement une ou plusieurs des liaisons électriques 83, 85, 87, une rotation de l’élément de propulsion 2 autour d’au moins un axe transversal à l’axe principal X2. L’unité de contrôle 9 est aussi configurée pour actionner une déformation de la portion déformable 20 en élongation/contraction selon l’axe principal X2. Ainsi, il est possible de coordonner de manière optimale l’actionnement de la rotation de l’élément de propulsion 2 et l’actionnement de la déformation en élongation/contraction de la portion déformable 20 selon l’axe principal X2 afin d’obtenir un déplacement et une trajectoire souhaités du microrobot 10 dans le matériau dans lequel il se déplace. L’unité de contrôle 9 actionne ainsi un seul élément, l’élément de propulsion 2, et permet, par l’actionnement de ce seul élément, de générer une propulsion et une rotation du dispositif 1.
Une méthode de propulsion et de pilotage du microrobot 10 dans un fluide à faible nombre de Reynolds, notamment compris entre 105 et 10 1, comprend la commande sélective d’une ou de plusieurs des liaisons électriques 83, 85, 87, à l’aide de l’unité de contrôle 9, pour actionner une rotation de l’élément de propulsion 2 autour d’au moins un axe transversal à l’axe principal X2 de manière coordonnée, que ce soit en simultané ou en séquentiel, avec une déformation de la portion déformable 20 en élongation/contraction selon l’axe principal X2. A titre d'exemple non limitatif, un microrobot 10 ayant les caractéristiques suivantes présente de bonnes performances de propulsion et de guidage dans des matériaux fluidiques à faible nombre de Reynolds :
- longueur totale du microrobot 10 : 2 mm ;
- diamètre du microrobot 10 : 2 mm ; - longueur de la portion déformable 20 de l’élément de propulsion 2 : 0,5 mm ; - longueur de la bobine d’actionnement linéaire 42 : 0,5 mm ;
- longueur de l’aimant 41 : 0,8 mm ;
- section transversale de chaque cil de propulsion 28 : 2500 pm2.
Procédé de fabrication La partie avant 21, la partie arrière 23 et la portion déformable 20 ont été fabriquées en une seule pièce par lithographie laser 3D en utilisant un polymère ORMOCLEAR inorganique-organique hybride polymérisable aux UV en tant que résine photosensible. La résine photosensible a été appliquée sur un substrat en verre et un laser ponctuel a polymérisé sélectivement la résine photosensible selon un plan CAO 3D. Les cils de propulsion 28 ont été fabriqués d’un seul tenant avec la partie avant 21, c’est-à-dire fabriqués dans le même matériau que la partie avant 21. Les segments de guidage 3, 5, 7 ont été obtenus par dépôt d’une couche de polymère électroactif ionique PEDOT sur chacune des pattes flexibles 22, 24, 26 de la portion déformable 20. La bobine d’actionnement linéaire 42 a été obtenue par bobinage d’un fil de cuivre sur la partie arrière 23. L’aimant 41 est un aimant permanent en néodyme fixé par collage avec un adhésif acrylique sur la partie avant 21.
Dans le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 4, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Le microrobot 10 du deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que les segments de guidage 3, 5, 7 comportent un matériau photoactif, au lieu d’un matériau électroactif. Le dispositif 1 de propulsion et de pilotage comprend, pour chaque segment de guidage 3, 5, 7 à base de matériau photoactif, une source de rayonnement dédiée dont le rayonnement est amené en regard du segment de guidage de manière à activer sa déformation. A titre d’exemple, dans ce deuxième mode de réalisation, le matériau photoactif de chaque segment de guidage 3, 5, 7 est un réseau de cristaux liquides comprenant des molécules d'azobenzène, et la source de rayonnement pour chaque segment de guidage 3, 5, 7 est une source de lumière blanche, les différentes sources étant logées dans un même boîtier 8’. Dans ce deuxième mode de réalisation, tous les segments de guidage 3, 5, 7 sont à base d’un même matériau photoactif et, pour éviter des interactions de rayonnement susceptibles d’activer la déformation d’un segment de guidage autre que celui associé à une source de rayonnement dédiée, le rayonnement est transmis jusqu’au matériau photoactif de chaque segment de guidage 3, 5, 7 à l’aide d’une fibre optique 83’, 85’, 87’ respective, ayant une extrémité distale positionnée en regard du matériau photoactif du segment de guidage 3, 5, 7. Selon une variante, les segments de guidage 3, 5, 7 peuvent être à base de matériaux photoactifs différents, propres à être activés par des rayonnement de longueurs d’onde différentes. Dans ce cas, chaque segment de guidage 3, 5, 7 est associé à une source de rayonnement émettant dans le domaine de longueurs d’onde qui lui est spécifique. Ici encore, le rayonnement peut être transmis jusqu’au matériau photoactif du segment de guidage 3, 5, 7 à l’aide d’une fibre optique ayant une extrémité distale positionnée en regard du matériau photoactif du segment de guidage.
Dans le troisième mode de réalisation représenté sur la figure 5, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Le microrobot 10 du troisième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que la portion déformable 20 de l’élément de propulsion 2 est un ressort hélicoïdal comprenant deux pattes flexibles 22, 24, au lieu de trois pattes flexibles comme dans le premier mode de réalisation. Les deux pattes flexibles 22, 24 sont disposées hélicoïdalement autour de l’axe principal X2 entre la partie avant 21 et la partie arrière 23 de l’élément de propulsion et sont munies chacune de trois segments de guidage à base de matériau électroactif, respectivement 3i, 32, 33 et 5i, 52, 53. Pour chacune des deux pattes flexibles 22, 24, les segments de guidage 3i, 32, 33 ou 5i, 52, 53 sont répartis le long de la patte flexible et reliés à une alimentation électrique 8 par un fil électrique respectif, tous les fils électriques des différents segments de guidage d’une patte flexible 22 ou 24 transitant dans un câble 83 ou 85.
Dans le quatrième mode de réalisation représenté sur la figure 6, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Le microrobot 10 du quatrième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que la portion déformable 20 de l’élément de propulsion 2 est un ressort hélicoïdal comprenant une unique patte flexible 22 disposée hélicoïdalement autour de l’axe principal X2 entre la partie avant 21 et la partie arrière 23 de l’élément de propulsion. La patte flexible 22 comporte quatre segments de guidage à base de matériau électroactif 3i, 32, 33, 34, qui sont répartis le long de la patte flexible 22 et reliés chacun à une alimentation électrique 8 par un fil électrique respectif, tous les fils électriques des différents segments de guidage de la patte flexible 22 transitant dans un câble 83. Les segments de guidage 3i, 32, 33, 34 sont configurés pour générer par leur déformation une rotation de l’élément de propulsion 2 respectivement autour d’un premier axe de rotation et autour d’un deuxième axe de rotation transversaux entre eux et à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion. Dans le cinquième mode de réalisation représenté sur la figure 7, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Le microrobot 10 du cinquième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que le dispositif 1 de propulsion et de pilotage comprend deux éléments de propulsion 2i et 2i agencés l’un derrière l’autre, l’unité de contrôle 9 étant configurée pour actionner des cycles de déformation en élongation/contraction des portions déformables 20i et 2O2 des deux éléments de propulsion selon des séquences temporelles prédéfinies, de manière à générer un mouvement non réciproque du microrobot 10. Un tel agencement est un autre moyen que des cils de propulsion pour obtenir un mouvement non réciproque du microrobot 10, permettant un déplacement efficace dans des fluides à faible nombre de Reynolds.
Dans ce cinquième mode de réalisation, pour chacun des deux éléments de propulsion 2i et 22, la portion déformable 201 ou 2Û2 est identique à la portion déformable 20 du premier mode de réalisation, i.e. comprend trois pattes flexibles 22i, 24i, 26i ou 22i, 242, 262 disposées hélicoïdalement autour de l’axe principal X21 ou X22 de l’élément de propulsion. Chaque patte flexible 22i, 24i, 26i ou 22i, 242, 262 est munie d’un segment de guidage respectif 31, 5i, 7i ou 32, 52, h à base de matériau électroactif, déformable de manière réversible sous l’effet d’un apport d’énergie électrique, et relié à une alimentation électrique 81 ou 82 par un câble électrique respectif 83i, 85i, 87i ou 832, 852, 872.
Le dispositif 1 de propulsion et de pilotage de ce cinquième mode de réalisation ne comprend pas d’actionneur linéaire analogue au transducteur électromagnétique 4 des modes de réalisation précédents, pour actionner séquentiellement des cycles d’élongation/contraction de la portion déformable 20i ou 202 de l’élément de propulsion. En effet, dans ce cinquième mode de réalisation, pour chacun des deux éléments de propulsion 2i et 2i, les segments de guidage 3i, 5i, 7i ou 32, 52, h à base de matériau électroactif sont configurés pour actionner une déformation de la portion déformable 201 ou 2Û2 en élongation/contraction selon l’axe principal X21 ou X22 lorsqu’ils sont déformés simultanément, et pour actionner une rotation de l’élément de propulsion 2i ou h autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal X21 ou X22 lorsqu’ils sont déformés sélectivement. En apportant de l’énergie électrique de manière sélective aux segments de guidage 3i, 5i, 7i, 32, 52, h, il est possible d’actionner au choix une rotation et/ou une déformation en élongation/contraction de chaque élément de propulsion 2i, 2i, ce qui permet d’assurer à la fois un pilotage directionnel et une propulsion du microrobot 10.
Dans le sixième mode de réalisation représenté sur les figures 8 à 10, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Le microrobot 10 du sixième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que les éléments de guidage comprennent deux bobines électromagnétiques de guidage 43 et 45, au lieu de segments de guidage à base de matériau actif. Les bobines de guidage 43 et 45 sont munies chacune d’une liaison respective 63, 65 à une source d’énergie électrique 6 et forment un transducteur électromagnétique avec un aimant permanent 41 solidaire de la partie avant 21 de l’élément de propulsion 2. L’aimant 41 est sensiblement parallèle à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion en position de repos. Chacune des deux bobines de guidage 43, 45 est apte, sous l’effet d’un apport d’énergie électrique, à générer une rotation de l’aimant 41 par rapport à sa position de repos, ce qui entraîne une rotation de l’élément de propulsion 2 autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal X2.
Le dispositif 1 de propulsion et de pilotage de ce sixième mode de réalisation comprend également une bobine électromagnétique 42 d’actionnement linéaire, analogue à la bobine 42 des modes de réalisation précédents, qui est munie d’une liaison respective 62 à la source d’énergie électrique 6 et qui forme également un transducteur électromagnétique avec l’aimant 41. La bobine d’actionnement linéaire 42 est apte, sous l’effet d’un apport d’énergie électrique, à générer une translation de l’aimant 41 parallèlement à l’axe principal X2, ce qui entraîne une déformation de la portion déformable 20 en élongation/contraction selon l’axe principal X2. En alimentant électriquement de manière sélective les bobines de guidage 43, 45 et la bobine d’actionnement linéaire 42, il est alors possible d’actionner une rotation et une déformation en élongation/contraction de l’élément de propulsion 2, ce qui permet d’assurer un pilotage directionnel et une propulsion du microrobot 10.
L’agencement relatif de la bobine d’actionnement linéaire 42 et des bobines de guidage 43, 45 est visible sur la vue à plus grande échelle de la figure 10. Sur cette figure, on visualise les gorges respectives 232, 233, 23s de réception des bobines 42, 43, 45. L’axe central de la bobine d’actionnement linéaire 42 reçue dans la gorge 232 est aligné avec l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2. L’axe central de la bobine de guidage 43 reçue dans la gorge 233 est déporté par rapport à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, selon une direction vers le haut et une direction s’enfonçant dans le plan de la feuille sur la figure 10. Enfin, l’axe central de la bobine de guidage 45 reçue dans la gorge 235 est déporté par rapport à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, selon une direction vers le bas et une direction sortant du plan de la feuille sur la figure 10.
Dans le septième mode de réalisation représenté sur la figure 11 , les éléments analogues à ceux du sixième mode de réalisation portent des références identiques. Dans ce septième mode de réalisation, le dispositif 1 de propulsion et de pilotage comprend trois bobines de guidage 43, 45, 47 (non représentées) munies chacune d’une liaison respective à une source d’énergie électrique et configurées pour former un transducteur électromagnétique avec un aimant permanent 41 solidaire de la partie avant de l’élément de propulsion 2. Sur la figure 11, on visualise les gorges respectives 233, 23s, 237 de réception des bobines de guidage 43, 45, 47. Les trois bobines de guidage 43, 45, 47 sont disposées les unes derrière les autres selon la direction de l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, avec leurs axes centraux non confondus et sensiblement parallèles à l’axe principal X2.
En particulier, dans l’exemple représenté sur la figure 11, l’axe central de la bobine de guidage 43 reçue dans la gorge 233 est déporté par rapport à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, selon une direction vers le bas et une direction s’enfonçant dans le plan de la feuille sur la figure 11. L’axe central de la bobine de guidage 45 reçue dans la gorge 23s est déporté par rapport à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, selon une direction vers le haut et une direction s’enfonçant dans le plan de la feuille sur la figure 11. Enfin, l’axe central de la bobine de guidage 47 reçue dans la gorge 237 est déporté par rapport à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, selon une direction vers le bas et une direction sortant du plan de la feuille sur la figure 11. Les trois bobines de guidage 43, 45, 47 sont configurées pour actionner une déformation de la portion déformable 20 de l’élément de propulsion 2 en élongation/contraction selon l’axe principal X2 lorsqu’elles sont alimentées simultanément en énergie électrique, et pour générer une rotation de l’aimant 41 par rapport à sa position de repos entraînant une rotation de l’élément de propulsion 2 autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal X2 lorsqu’elles sont alimentées sélectivement.
Dans le huitième mode de réalisation représenté sur la figure 12, les éléments analogues à ceux du sixième mode de réalisation portent des références identiques. Dans ce huitième mode de réalisation, le dispositif 1 de propulsion et de pilotage comprend une bobine d’actionnement linéaire 42 et trois bobines de guidage 43, 45, 47 (non représentées), munies chacune d’une liaison respective à une source d’énergie électrique et configurées pour former un transducteur électromagnétique avec un aimant permanent 41 solidaire de la partie avant de l’élément de propulsion 2. Sur la figure 12, on visualise les gorges respectives 232, 233, 23s, 237 de réception des bobines 42, 43, 45, 47. La bobine d’actionnement linéaire 42 est disposée à l’arrière de l’élément de propulsion 2 avec son axe central sensiblement parallèle à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, tandis que les trois bobines de guidage 43, 45, 47 sont réparties autour de la bobine d’actionnement linéaire 42 en étant à équidistance les unes des autres, avec leurs axes centraux sensiblement perpendiculaires à l’axe principal X2.
Dans ce huitième mode de réalisation, l’actionnement de la déformation de la portion déformable 20 en élongation/contraction selon l’axe principal X2 est obtenu en alimentant la bobine d’actionnement linéaire 42, tandis que l’actionnement de la rotation de l’aimant 41 par rapport à sa position de repos, entraînant une rotation de l’élément de propulsion 2 autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal X2, est obtenu en alimentant sélectivement les bobines de guidage 43, 45, 47.
Dans les neuvième et dixième modes de réalisation représentés respectivement sur les figure 13 et 14, les éléments analogues à ceux du sixième mode de réalisation portent des références identiques. Dans ces neuvième et dixième modes de réalisation,
L’élément de propulsion 2 selon les neuvième et dixième modes de réalisation comporte, de même que l’élément de propulsion du mode de réalisation illustré en figure 3, une partie avant 21, une partie arrière 23, et une portion déformable 20 reliant la partie avant 21 et la partie arrière 23. Dans ces neuvième et dixième modes de réalisation, la portion déformable 20 est un ressort hélicoïdal déformable en élongation/contraction selon un axe principal X2 de l’élément de propulsion 2. L’axe X2 est défini de la même manière que précédemment, comme l’axe central de la portion déformable 20 sensiblement perpendiculaire au plan de la plaque distale 230 de la partie arrière 23, à laquelle la portion déformable 20 est fixée. Le ressort hélicoïdal formant la portion déformable 20 comprend trois pattes flexibles 22, 24, 26 disposées hélicoïdalement autour de l’axe principal X2 entre la partie avant 21 et la partie arrière 23 de l’élément de propulsion 2.
Dans ces neuvième et dixième modes de réalisation, le ressort hélicoïdal formant la portion déformable 20 coopère avec au moins un élément de guidage 3, 5, 7 s’étendant chacun entre la partie avant 21 et la partie arrière 23 de l’élément de propulsion 2. Dans un mode de réalisation non représenté, les éléments de guidage s’étendent autour du ressort hélicoïdal. Dans les neuvième et dixième modes de réalisation, le ressort hélicoïdal s’étend autour de l’au moins un élément de guidage 3, 4, 5. Plus particulièrement, dans les neuvième et dixième modes de réalisation, le dispositif 1 comporte trois éléments de guidage 3, 5, 7 formant chacun patte ou segment déformable, disposés hélicoïdalement autour de l’axe principal X2 entre la partie avant 21 et la partie arrière 23 de l’élément de propulsion. Dans le neuvième mode de réalisation illustré en figure 13, les segments déformables 3, 5, 7 et les pattes flexibles 22, 24, 26 sont régulièrement répartis sur la circonférence de l’élément de propulsion 2, de manière à ce que l’élément de propulsion 2 présente une alternance circulaire de pattes flexibles 22, 24, 26 et de segments déformables 3, 5, 7. Dans le dixième mode de réalisation illustré en figure 14, chaque segment déformable 3, 5, 7 est radialement aligné avec une patte flexible 22, 24, 26 du ressort hélicoïdal. Chaque patte flexible 22, 24, 26 coopère ainsi, dans chacun des modes de réalisation des figures 13, 14, avec un élément de guidage 3, 5, 7.
Comme dans les modes de réalisation précédents, chaque segment déformable 3, 5, 7 comporte, par exemple, un matériau électroactif, par exemple en polymère électroactif ionique PEDOT. Ainsi, chacun des trois éléments de guidage 3, 5, 7 est déformable de manière réversible sous l’effet d’un apport d’énergie électrique. Chaque élément de guidage 3, 5, 7 est apte, par sa déformation lorsqu’il est alimenté en énergie électrique, à générer une déformation de la patte flexible 22, 24, 26 correspondante et une rotation de l’élément de propulsion 2. Pour chaque segment de guidage 3, 5, 7, l’axe de la rotation générée par la déformation du segment de guidage est transversal à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2 ainsi qu’aux axes des rotations générées par la déformation de chacun des deux autres éléments de guidage. La répartition isotrope des segments de guidage 3, 5, 7 autour de l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, permet, comme pour le premier mode de réalisation, d’optimiser le pilotage directionnel de l’élément de propulsion 2. Ainsi, peu importe le mode de réalisation, on constate que dans la présente invention, les segments de guidage 3, 5, 7 forment, avec les pattes flexibles 22, 24, 26 un unique groupement fonctionnel polyvalent assurant à la foi la rotation et la propulsion. La présente invention ne présente pas de couplage de différents éléments assurant chacun une fonction distincte.
Dans le onzième mode de réalisation représenté sur les figures 15 et 16, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Dans ce onzième mode de réalisation, le dispositif 1 de propulsion et de pilotage du microrobot 10 est, de même que pour les modes de réalisation précédents, configuré pour se déplacer dans un matériau visqueux ou viscoélastique, par exemple dans le liquide céphalo-rachidien ou la matrice extracellulaire du cerveau d'un sujet, qui sont des matériaux fluidiques à faible nombre de Reynolds. On a représenté, sur les figures 15 et 16, un mode de réalisation alternatif de l’élément de propulsion 2. Dans ce onzième mode de réalisation, l’élément de propulsion 2 comporte une partie avant 21, une partie arrière 23, et une portion déformable 20 reliant la partie avant 21 et la partie arrière 23. La partie déformable 20 est divisée en une sous-partie avant 20A et une sous-partie arrière 20B, les deux sous-parties 20A, 20B sont reliées entre elles par un disque oscillant 30. Le disque oscillant 30 se situe entre les parties avant 21 et arrière 23, à équidistance de chacune d’entre elles. Sur l’exemple illustré aux figures 15 et 16, le disque oscillant 30 présente un diamètre similaire à la plaque distale 230. Toutefois, dans un mode de réalisation non illustré, le diamètre du disque oscillant 30 peut être supérieur à celui de la plaque distale 230.
Au repos, le disque oscillant 30 est sensiblement parallèle à la plaque distale 230. Dans ce mode de réalisation, c’est le disque oscillant 30 de l’élément de propulsion 2 qui comprend, à sa surface, une pluralité de cils de propulsion 28, configurés pour interagir avec le matériau dans lequel le microrobot 10 se déplace. Les cycles séquentiels d’élongation/contraction de la portion déformable 20 entraînent le déplacement des cils de propulsion 28 dans le matériau, produisant la force propulsive qui entraîne un déplacement du microrobot 10. Ainsi, il peut être avantageux, pour le disque oscillant 30, de présenter un diamètre supérieur à la plaque distale 230, de manière à faciliter l’attache des cils de propulsions 28 sur celui-ci. Dans ce onzième mode de réalisation, la sous-partie avant 20A de la portion déformable 20 est un ressort hélicoïdal déformable en élongation/contraction selon un axe principal X2 de l’élément de propulsion 2. On définit ici l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2 de manière similaire aux modes de réalisations précédents, comme l’axe central de la portion déformable 20 sensiblement perpendiculaire au plan de la plaque distale 230 de la partie arrière 23, à laquelle la portion déformable 20 est fixée. Le ressort hélicoïdal formant la sous-partie avant 20A de la portion déformable 20 comprend trois pattes flexibles 22, 24, 26 disposées hélicoïdalement autour de l’axe principal X2 entre la partie avant 21 et le disque oscillant 30 de l’élément de propulsion.
Dans ce onzième mode de réalisation, la sous-partie arrière 20B de la portion déformable 2 comporte au moins un élément de guidage 3, 5, 7 à base de matériau électroactif, par exemple en polymère électroactif ionique PEDOT. Plus précisément, dans le onzième mode de réalisation de l’invention, la portion déformable 2 comporte trois éléments de guidage 3, 5, 7 formant segments de guidage 3, 5, 7. Chacun des trois segments de guidage 3, 5, 7 est déformable de manière réversible sous l’effet d’un apport d’énergie électrique, et relié à une alimentation électrique. Au repos, les trois segments de guidage 3, 5, 7 présentent la même longueur. Comme bien visible sur la figure 15, les segments de guidage 3, 5, 7 sont répartis de manière isotrope autour de l’axe principal X2 de l’élément de propulsion 2, ce qui permet d’optimiser le pilotage directionnel de l’élément de propulsion. Les trois segments de guidage 3, 5, 7 forment chacun une patte s’étendant entre la partie arrière 23 de la portion déformable 2 et le disque oscillant 30. Plus précisément, les trois segments de guidage sont disposés hélicoïdalement autour de l’axe principal X2 entre la sous-partie arrière 23 et le disque oscillant 30 de l’élément de propulsion 2. Comme déjà mentionné, chaque segment de guidage 3, 5, 7 est apte, par sa déformation lorsqu’il est alimenté en énergie électrique, à générer une inclinaison du disque oscillant 30. Ceci est visible sur la figure 16. Au fur et à mesure de l’activation de chacun des trois segments de guidage 3, 5, 7, le disque oscillant 30 s’incline dans des directions différentes, générant ainsi un mouvement oscillant rotatif. Ce mouvement oscillant rotatif induit une rotation de l’élément de propulsion 2. Pour chaque segment de guidage 3, 5, 7, l’axe de la rotation générée par la déformation du segment de guidage est transversal à l’axe principal X2 de l’élément de propulsion ainsi qu’aux axes des rotations générées par la déformation de chacun des deux autres segments de guidage. Ainsi, dans ce mode de réalisation également, malgré la présence du disque oscillant 30, les segments de guidage 3, 5, 7 coopèrent directement avec les pattes flexibles 22, 24, 26 et forment avec celles-ci, un unique groupement fonctionnel polyvalent assurant à la foi la rotation et la propulsion. La présente invention ne présente pas de couplage de différents éléments assurant chacun une fonction distincte.
Comme il ressort des exemples précédents, un dispositif de propulsion et de pilotage selon l’invention permet de déplacer une microstructure dans l’espace 3D de manière fiable et précise en actionnant, de manière coordonnée, d’une part une rotation de l’élément de propulsion autour d’au moins deux axes de rotation transversaux entre eux et à l’axe principal, et d’autre part une déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion pour générer une propulsion de la microstructure. De manière avantageuse, grâce à la possibilité d’activer l’apport d’énergie de manière indépendante pour chaque élément de guidage et éventuellement pour l’actionneur linéaire si celui-ci est présent, toutes les combinaisons spatiales et temporelles pour actionner la rotation et la déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion peuvent être envisagées. En particulier, la rotation et la déformation peuvent, au choix, être actionnées simultanément, ou être actionnées l’une à la suite de l’autre, ce qui permet de déplacer la microstructure selon une trajectoire souhaitée dans son environnement.
Il convient de garder à l’esprit qu’à une échelle millimétrique, dans un environnement à bas Reynolds, le moindre petit élément à déplacer coûte très cher en énergie. Les forces de frottement enjeu sont considérables Bien que dépendant du type de frottements (secs, visqueux, ...) et de la taille du robot, il est toutefois connu que, de manière générale, un nombre de Reynolds faible signifie que les forces surfaciques sont prépondérantes sur les forces volumiques. Dans le cas présent, il est ainsi plus judicieux d’optimiser la taille globale du robot que son poids, par exemple.
Ainsi, plus le dispositif est petit et moins il comporte d’éléments fonctionnels, moins le coût en énergie est élevé pour déplacer ledit dispositif. La présente invention, de par sa petite taille et le nombre réduit d’éléments fonctionnels (réduction rendue possible par l’aspect polyfonctionnel des différents éléments, en particulier des segments de guidage), permet un gain conséquent d’énergie pour un déplacement donné.
L’invention n’est pas limitée aux exemples décrits et représentés.
En particulier, dans les exemples précédents, la portion déformable de l’élément de propulsion est un ressort hélicoïdal à une, deux ou trois pattes flexibles. En variante, la portion déformable de l’élément de propulsion peut comprendre un ressort, hélicoïdal ou non, ayant un nombre quelconque de pattes flexibles, ou encore une structure déformable autre qu’un ressort, par exemple un soufflet. La portion déformable de l’élément de propulsion peut également comprendre une combinaison d’un ressort et d’un soufflet, chaque pli du soufflet étant par exemple positionné au niveau d’une spire du ressort et l’enveloppe du soufflet remplissant l’espace entre les spires successives du ressort. De plus, lorsque le dispositif de propulsion et de pilotage comprend un actionneur linéaire dédié pour actionner la déformation de la portion déformable de l’élément de propulsion en élongation/contraction, l’actionneur linéaire peut être un actionneur autre qu’un transducteur électromagnétique tel que décrit précédemment, mettant enjeu une bobine électromagnétique et un aimant permanent. En particulier, dans le cas où la portion déformable a une enveloppe étanche, comme c’est le cas par exemple avec un soufflet, l’actionneur pour actionner la déformation de la portion déformable en élongation/contraction peut être une pompe, l’élongation/contraction de la portion déformable pouvant alors être obtenue par une alternance d’entrée/sortie de fluide dans le volume intérieur de la portion déformable actionnée par la pompe.
Par ailleurs, dans les exemples précédents mettant en œuvre des segments de guidage comprenant un matériau actif, les matériaux actifs des différents segments de guidage sont tous de même nature. En variante, un dispositif de propulsion et de pilotage selon l’invention peut comporter plusieurs segments de guidage ayant des matériaux actifs de compositions ou de natures différentes. Par exemple, des segments de guidage comportant un matériau électroactif peuvent être combinés avec des segments de guidage comportant un élément bilame ; ou des segments de guidage comportant un matériau photoactif peuvent être combinés avec des segments de guidage comportant un matériau électroactif ou un élément bilame, les différentes liaisons d’apport d’énergie pour activer les segments de guidage étant adaptées en conséquence. Des segments de guidage à base de matériau actif peuvent également être combinées avec des bobines de guidage du type de celles des modes de réalisation des figures 8 à 12.
Dans le cas où le dispositif de propulsion et de pilotage comprend des bobines de guidage en tant qu’éléments de guidage pour générer une rotation de l’élément de propulsion, des agencements des bobines de guidage autre que ceux des modes de réalisation des figures 8 à 12 peuvent bien entendu également être envisagés. En particulier, le nombre de bobines de guidage est un nombre quelconque supérieur ou égal à deux, les bobines de guidage pouvant être disposées au choix les unes derrière les autres, les unes à côté des autres, ou même de manière concentrique, en étant combinées ou non avec une bobine d’actionnement linéaire. Des agencements avantageux, non représentés sur les figures, comprennent par exemple : trois bobines de guidage réparties autour de l’axe principal de l’élément de propulsion, avec leurs axes centraux sensiblement parallèles à l’axe principal, en étant disposées à équidistance les unes des autres ; six bobines de guidage réparties autour de l’axe principal de l’élément de propulsion, avec leurs axes centraux sensiblement parallèles à l’axe principal, en étant disposées à équidistance les unes des autres. Dans ces deux cas, les bobines de guidage peuvent être, au choix, soit disposées à l’arrière de l’élément de propulsion sans bobine d’actionnement linéaire, l’actionnement de la déformation de la portion déformable en élongation/contraction selon l’axe principal étant alors obtenu en alimentant simultanément toutes les bobines de guidage en énergie électrique, tandis que l’actionnement de la rotation de l’aimant par rapport à sa position de repos, entraînant une rotation de l’élément de propulsion autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal, est obtenu en alimentant les bobines de guidage sélectivement ; soit disposées à l’arrière de l’élément de propulsion en étant combinées avec une bobine d’actionnement linéaire, l’actionnement de la déformation de la portion déformable en élongation/contraction selon l’axe principal étant alors obtenu en alimentant la bobine d’actionnement linéaire, tandis que l’actionnement de la rotation de l’aimant par rapport à sa position de repos, entraînant une rotation de l’élément de propulsion autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal, est obtenu en alimentant sélectivement les bobines de guidage.
Enfin, l’invention a été illustrée pour la propulsion et le pilotage d’un microrobot destiné à se déplacer dans un matériau visqueux ou viscoélastique, par exemple le liquide céphalo-rachidien ou la matrice extracellulaire du cerveau d'un sujet. En variante, un dispositif de propulsion et de pilotage selon l’invention peut bien entendu être mis en œuvre pour déplacer d’autres types de microstructures, dans le domaine médical ou dans d’autres domaines, notamment un dispositif selon l’invention peut être utilisé pour la propulsion et le pilotage d’un tube flexible mobile, tel qu’un stent ou un cathéter.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) de propulsion et de pilotage d’une microstructure (10), telle qu’un tube flexible ou un microrobot, comprenant : - un élément de propulsion (2) comportant au moins une portion (20) déformable en élongation/contraction selon un axe principal (X2) reliant une partie avant (21) et une partie arrière (23) de l’élément de propulsion (2) ;
- au moins deux éléments de guidage (3, 5, 7 ; 43, 45) aptes, sous l’effet d’un apport d’énergie par une liaison respective à une source d’énergie (83, 85, 87 ; 63, 65), à générer une rotation de l’élément de propulsion (2) respectivement autour d’un premier axe de rotation et autour d’un deuxième axe de rotation transversaux entre eux et à l’axe principal (X2) de l’élément de propulsion ;
- une unité de contrôle (9) configurée pour actionner, en commandant sélectivement une ou plusieurs des liaisons à une source d’énergie (83, 85, 87 ; 63, 65), une rotation de l’élément de propulsion (2) autour d’au moins un axe transversal à l’axe principal (X2) de manière coordonnée avec une déformation de la portion déformable (20) de l’élément de propulsion (2) en élongation/contraction selon l’axe principal (X2), les éléments de guidage (3, 5, 7 ; 43, 45) comprenant, en outre, au moins deux segments de guidage (3, 5, 7) à base de matériau actif déformable de manière réversible sous l’effet d’un apport d’énergie par une liaison respective à une source d’énergie (83, 85, 87), chaque segment de guidage (3, 5, 7) étant apte, sous l’effet d’un apport d’énergie, à générer par sa déformation une rotation de l’élément de propulsion (2) autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal (X2) de l’élément de propulsion.
2. Dispositif de propulsion et de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel au moins un segment de guidage (3, 5, 7) comporte un matériau électroactif ou un élément bilame, le dispositif (1) comprenant une source (83, 85, 87) d’énergie électrique connectée au segment de guidage (3, 5, 7) de manière à activer sa déformation.
3. Dispositif de propulsion et de pilotage selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel au moins un segment de guidage (3, 5, 7) comporte un matériau photoactif le dispositif (1) comprenant une source de rayonnement (83’, 85’, 87’) dont le rayonnement est émis en regard du segment de guidage (3, 5, 7) de manière à activer sa déformation.
4. Dispositif de propulsion et de pilotage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins deux desdits segments de guidage (3, 5, 7) sont configurés pour actionner une déformation de la portion déformable (20) de l’élément de propulsion (2) en élongation/contraction selon l’axe principal (¾) lorsqu’ils sont déformés simultanément et pour actionner une rotation de l’élément de propulsion (2) autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal (¾) lorsqu’ils sont déformés sélectivement.
5. Dispositif de propulsion et de pilotage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments de guidage comprennent au moins deux bobines électromagnétiques de guidage (43, 45), munies chacune d’une liaison respective à une source d’énergie électrique (63, 65), qui forment un transducteur électromagnétique (4) avec un aimant (41) solidaire de l’élément de propulsion (2), l’aimant (41) étant parallèle à l’axe principal (X2) de l’élément de propulsion (2) en position de repos, chaque bobine de guidage (43, 45) étant apte, sous l’effet d’un apport d’énergie électrique, à générer une rotation de l’aimant (41) par rapport à sa position de repos entraînant une rotation de l’élément de propulsion (2) autour d’un axe de rotation transversal à l’axe principal (X2) de l’élément de propulsion.
6. Dispositif de propulsion et de pilotage selon la revendication 5, comprenant en outre une bobine électromagnétique d’actionnement linéaire (42), munie d’une liaison respective à une source d’énergie électrique (62), qui forme également un transducteur électromagnétique (4) avec l’aimant (41) solidaire de l’élément de propulsion (2), la bobine d’actionnement linéaire (42) étant apte, sous l’effet d’un apport d’énergie électrique, à générer une translation de l’aimant parallèlement à l’axe principal (X2) entraînant une déformation de la portion déformable (20) de l’élément de propulsion (2) en élongation/contraction selon l’axe principal (X2).
7. Dispositif de propulsion et de pilotage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’unité de contrôle (9) est configurée en outre pour actionner une déformation de la portion déformable (20) de l’élément de propulsion (2) en élongation/contraction selon l’axe principal (X2).
8. Dispositif de propulsion et de pilotage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un actionneur (41, 42), tel qu’un transducteur électromagnétique ou une pompe, configuré pour actionner une déformation de la portion déformable (20) de l’élément de propulsion (2) en élongation/contraction selon l’axe principal (X2).
9. Dispositif de propulsion et de pilotage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les au-moins deux éléments de guidage (3, 5, 7 ;43, 45) sont positionnés radialement à l’extérieur de la portion déformable (2).
10. Dispositif de propulsion et de pilotage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la portion déformable (2) comporte un disque oscillant (30) disposé entre la partie avant (21) et la partie arrière (23), les au-moins deux éléments de guidage (3, 5, 7 ; 43, 45) étant disposés entre la partie arrière (23) et le disque oscillant (30).
11. Méthode de propulsion et de pilotage d’une microstructure (10), telle qu’un tube flexible ou un microrobot, dans laquelle : - on introduit la microstructure (10) comprenant un dispositif (1) de propulsion et de pilotage selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans un fluide à faible nombre de Reynolds compris entre 105 et 10 1 ;
- on actionne, en commandant sélectivement à l’aide de l’unité de contrôle (9) une ou plusieurs des liaisons à une source d’énergie (83, 85, 87 ; 63, 65), une rotation de l’élément de propulsion (2) autour d’au moins un axe transversal à l’axe principal (X2) de manière coordonnée avec une déformation de la portion déformable (20) de l’élément de propulsion (2) en élongation/contraction selon l’axe principal (X2).
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