Perception et interface haptique pour les nanosciences

1. Guillaume MILLET Directeur de thèse : Stéphane RÉGNIER Co-encadrant : Sinan HALIYO Perception et interface haptiquepour les nanosciences

2. Contexte et problématique Manipulation aux échelles micro & nano Étude et Caractérisation de nouveaux matériaux, de structures mécaniques, d'objets biologiques Conception de nanosystèmes (NEMS) assemblés Chaîne de micro/nano-téléopération Visualisation force force force force Facteurs d'échelle vitesse vitesse vitesse vitesse Environnement Robot esclave Couplage Robot maître Utilisateur Nanofils Nano-hélice Cellules Test de nanofil

3. Contexte et problématique Manipulation aux échelles micro & nano Visualisation : micro (1 – 100 µm) nano (<1 µm) en temps différé Physique : forces de surface >> gravité Manipulation Manipulation par AFM Microscope à force atomique (AFM) Microscope électronique Microscope optique µ-pinces sans mesure de force Poutre AFM avec mesure de force • mesure des efforts • outil le plus répandu • pas de maîtrise des efforts • nécessite retour visuel

4. Contexte et problématique Plates-formes de télé-nanomanipulation existantes VIDÉO Univ. Caroline du Nord, USA, 97 Univ. Carnegie Mellon, USA, 05 ISIR, France, 05 • Peu de télémanipulations réelles avec haptique • Pas d'études utilisateurs complètes • Difficultés dues à la réduction d'échelle • Stratégies de manipulation complexes • Physique non-intuitive • Ressenti haptique • Apport de l'haptique ?

5. Contexte et problématique Bilan et objectifs Difficultés pour percevoir les stratégies de manipulation spécifiques les phénomènes physiques Objectifs Proposer et évaluer des assistances haptiques Évaluer l'apport de l'haptique pour comprendrel'AFM Concevoir une interface haptique dédiée

6. Plan de la présentation Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques Simulateur interactif Évaluations pilotes Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM Méthode Résultats Discussion Interface haptique pour toucher le nanomonde Problématique Principe de fonctionnement Résultats expérimentaux Conclusions et perspectives

7. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Microscopie à force atomique Outil d'imagerie et de manipulation Courbe approche-retrait Force mesurée Approche Retrait Attraction(Van der Waals) Hauteur de labase de la poutre Sautde contact Pull-off oudécollement

8. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques pour l'AFM Stratégies de micromanipulation développées à l'ISIR Compromis sur le rendu des petites et grandes amplitudes Charge cognitive pour contrôler l'effort d'interaction Existant VIDÉO Dépose par adhésion Dépose parroulement A. Ferreira, LVR, Bourges Champs de répulsion, planification Sitti, Carnegie Mellon, Pittsburgh Rigidité de la poutre masquée

9. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Modification de la force rendue • Réduction de la plage dynamique rendue • Modifie le rapport amplitudes • Inversion de l'effort • Retrait de la poutre facilité petitesgrandes

10. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Modification de la force rendue au contact • Position de repos virtuelle • Équilibre au contact avec une force constante sur la poutre

11. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Position de repos virtuelle & inversion Valide les conditions en effortpour déposer par adhésion ou par roulement Assistance évaluée

12. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Simulateur interactif pour tests utilisateurs • Simuler les phénomènes physiques et les tâches • Modélisation quasi-statique • état d'équilibre calculé à chaque instant • phase contact ou non-contact

13. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Évaluation pilote sur une dépose par adhésion • Tâche • Déplacer 4 billes d'un substrat S1à un substrat S2 plus adhérant, en formant une pyramide • Mesures • Temps, précision • Impressions subjectives • Méthode • 7 étudiants novices • 3 conditions expérimentales • Sans haptique • Avec haptique, sans assistance • Avec haptique, avec assistance • 3 essais x 3 conditions x 3 séries = 27 essais S1 S2 Prise Substrat peu adhérant Dépose Substrat très adhérant

14. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Évaluation sur une dépose par adhésionRésultats Performances en temps et en précision Pas d'effet significatif des conditions expérimentales Effet d'apprentissage Diminution significative du temps d'exécution de 32% Impressions subjectives Meilleure rapidité avec le retour haptique Meilleure précision avec le retour haptique et l'assistance Bilan Effet d’apprentissage Impressions subjectives positives

15. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Étude pilote sur une dépose par roulement • Tâche • Déplacer une bille prise par adhésionet la déposer par roulement • Mesures • Force appliquée maximale • Cassure poutre • Facilité et assurance durant la dépose • Méthode • 5 chercheurs connaissant l'AFM • 3 conditions expérimentales (idem évaluation précédente) • 4 billes x 3 conditions = 12 essais Dépose par roulement

16. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Étude pilote sur une dépose par roulement Résultats Force maximale appliquée sur la poutre Plus faible avec l'assistance haptique Pas de cassure avec le retour haptique Impressions subjectives Tâche facilitée avec l'assistance haptique, en particulier avec la position de repos virtuelle Bilan Assistance haptique jugée utile

17. Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Bilan sur les assistances haptiques Création d'un simulateur RV Modèles physiques et expertise ISIR Fidélité des comportements Assistances haptiques Inversion du rendu de l'effort de retrait Validation de l'effort minimum pour les prises et déposes Deux évaluations pilotes Premiers résultats encourageants À confirmer avec plus de sujets ou en manipulation réelle

18. Plan de la présentation Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques Simulateur interactif Évaluations pilotes Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM Méthode Résultats Discussion Interface haptique pour toucher le nanomonde Problématique Principe de fonctionnement Résultats expérimentaux Conclusions et perspectives

19. Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Expérience pédagogique sur la compréhension Comportement d’une poutre AFM Cycle approche-retrait Deux facteurs évalués Apport du retour haptique ? Apport de l'analogie aimant-ressort ? Représentations graphiques testées Poutre AFM Analogie aimant-ressortet indices graphiques

20. 4 conditions, 45 étudiants Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Expérience utilisateur sur la compréhensionMéthode Explications Dessin Identification de courbe Identification de courbe Questionnaire

21. Identification Analogie aide au début Haptique aide sur l’influence de la raideur Temps Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début Plus lent (50%) avec l'haptique, au début Dessins Corrélation avec l’identification Pas d'influence significative Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Identifications, temps, dessins Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie Nombre d’identifications pour la simu. 1

22. Identification Analogie aide au début Haptique aide sur l’influence de la raideur Temps Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début Plus lent (50%) avec l'haptique, au début Dessins Corrélation avec l’identification Pas d'influence significative Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Identifications, temps, dessins Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie Nombre d’identifications pour la simu. 2

23. Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Identifications, temps, dessins Identification Analogie aide au début Haptique aide sur l’influence de la raideur Temps Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début Plus lent (50%) avec l'haptique, au début Dessins Corrélation avec l’identification Pas d'influence significative Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie Nombre d’identifications pour la simu. 4

24. Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Analyse de composantes principales Étude des corrélations entre les données Effets des conditions Haptique augmente le temps de traitement Haptique aide à comparer la raideur et le pull-off Stratégies complémentaires Raisonnement par analogie Notions d’élasticité linéaire et de dynamique rapide

25. Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Préférences Conditions Haptique et Analogie très appréciées Influence plus grande de l’haptique Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie Compréhension

26. Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Bilan et perspectives Retour haptique Attire l’attention sur les forces impliquées Facilite la perception l’influence de la raideur Allonge le temps de traitement Analogie aimant-ressort Aide au début de la compréhension Adaptée à un cours d’introduction sur l’AFM Perspectives Outil pédagogique Effet de l’haptique sur la mémorisation à long terme

27. Plan de la présentation Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques Simulateur interactif Évaluations pilotes Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM Méthode Résultats Discussion Interface haptique pour toucher le nanomonde Problématique Principe de fonctionnement Résultats expérimentaux Conclusions et perspectives

28. Interface haptique pour toucher le nanomonde Interface haptique dédiée Dédiée au rendu de l’échelle nano Grande plage dynamique (104 : 1 mN à 10 N) Grandes accélérations Problématique Actionneur électromagnétique : fort couple → grande inertie Couplage de deux actionneurs 1 petit actionneur pour les composantes hautes-fréquences 1 gros actionneur pour l’effort continu Couplage visqueux Peu d’énergie emmagasinée Commande simple et réactive : commande en vitesse

29. Interface haptique pour toucher le nanomonde V Aimants anneau aimants J induit B induit Fer doux Anneau Principe de fonctionnement Impédancemécaniqueapparente • Commande • Couplage visqueux par courants de Foucault Couplemaximal Petitmoteur Grosmoteur Coupleurvisqueux • Csortie = Ccoupleur + Cpetit • Couple linéaire / vitesse

30. Interface haptique pour toucher le nanomonde Premier prototype Coupleur visqueuxà courants de Foucault • Identification • Plage dynamique 0,2 – 45 mN.m Grosmoteur Poignée • Inertie apparente avecl’asservissement en effort Petitmoteur Inducteur Induit en aluminium

31. Interface haptique pour toucher le nanomonde Optimisation des performancesAnalyse théorique Deux critères d’optimisation Minimiser la constante de temps Jgros/b Minimiser l’inertie de la sortie Jpetit Analyse théorique Nombreuses variables Hypothèses simplificatrices Quelques indices Rapport /ρal à maximiser → anneau en aluminium non allié Maximiser le champ magnétique → aimants NdFeB Analyse numérique multiphysique nécessaire

32. Interface haptique pour toucher le nanomonde Optimisation des performancesAnalyse numérique multiphysique • Paramètres optimisés • Nombre d’aimants optimal • Largeur de l’anneau > hauteur aimant • Entrefer entre aimants et anneau à minimiser Simulation d’unedemi-boucle magnétique Densité des courants induitsdans l’induit

33. Interface haptique pour toucher le nanomonde Performances obtenues Identification 2nd prototype Écorché du coupleur

34. Interface haptique pour toucher le nanomonde Étude du cycle limite avec un ressort virtuel Analyse d’un système haptique oscillant Viscosité b, frottement sec c, masse m Ressort virtuel de raideur k Retard pur T supposé << 1/ω Condition nécessaire et suffisante de stabilité Linéarisation autour de φ=π/2

35. Interface haptique pour toucher le nanomonde Étude du cycle limite avec un ressort virtuelRésultats expérimentaux Un seul moteur Fréquence limite bien estimée Vitesse maximale sous-estimée Prototype Influence du correcteur Asservissement limité par unerésonance du gros moteur Inertie plus faible mesure théorique P=9 P=6 P=3

36. Interface haptique pour toucher le nanomonde Comparaison avec les capacités humaines Spécifications pour une poignée de Ø70 mm Inertie apparente similaire, sous certaines conditions Asservissement suffisamment rapide Commande stable Frottements résiduels Utiliser des technologies sans contact

37. Interface haptique pour toucher le nanomonde Bilan et perspectives Nouvel actionneur à 2 étages Large plage dynamique & faible inertie Prototype fonctionnel Analyse de la stabilité par l’étude du cycle limite Nouvelle condition de stabilité Mise en évidence de l’influence du correcteur Perspectives Commande plus avancée Expériences en télé-nanomanipulation Nombreuses applications potentielles

38. Conclusion Perception utilisateur de la télé-micromanipulation Assistances haptiques modifiant le rendu des forces Analogie pour les phénomènes nanophysiques Evaluations utilisateurs Interface haptique haute fidélité Couplage visqueux Analyse de la stabilité au cycle limite Prototype avec de grandes capacités de perception

39. Perspectives Manipulation réelle et évaluation in situ Assistances haptiques pour d’autres stratégies Définition d’un outil pédagogique Application du prototype pour la perception du nanomonde

40. Merci de votre attention