6-DoF Optical-driven Micro-robots with Force Feedback Capabilities for Interactive Bio-manipulation
Microrobots Optiques 6ddl à Retour d'Effort pour des Applications Interactives en Biologie
Abstract
Optical tweezers (OT) allow to probe and manipulate micro-metric
samples in a liquid environment. OT have successfully been applied in a large
range of in-vivo and in-vitro bio-manipulation experiments such as the trapping
of red blood cells in living animals and the immobilization of bacterial cells for
nanoscopy. Furthermore, the linearity of the restoring optical forces on spherical
objects, has led to the use of optical trapping for quantitative force measurements,
such as the strength of inter-molecular bonds or the stiffness of a cell membrane.
The ambition of this thesis is to provide a complete robotic optical tweezer sys-
tem designed from scratch, that gives to an operator without engineering skills direct
physical access to biophysical interactions at the microscale in a 3D workspace, with
a flexible and intuitive user interface. The proposed innovative robotic platform for
dexterous cell manipulation and force measurement through optical tweezers has
the following major contributions:
• The generation of multiple optical traps in a three-dimensional working space
with nanometrical resolution and high bandwidth.
• A 3D real-time force sensing of optical trap with sub-picoNewton (pN) reso-
lution suitable for closed-loop control.
• A tele-robotic system, providing a straightforward human/machine interac-
tion, and intuitive control of biological and synthetic micro objects in six
degrees of freedom (three translations and three rotations).
• The so-called “Optobots”, 3D swimming micro-structures actioned by OT
with 6-DoF and with a built-in force sensor.
Those capabilities are beyond the state-of-the-art, among commercial systems
and academic literature. Such an interactive robotic instrument is particularly rel-
evant to use-cases in experimental biology and constitutes a unique platform for
probing the micro-world.
Les pinces optiques (PO) permettent de sonder et de manipuler des
échantillons micro-metriques dans un environnement liquide. Les PO ont été ap-
pliquées avec succès dans une large nombre d’expériences in vivo et in vitro, comme
le piégeage des globules rouges chez les animaux vivants et l’immobilisation de cel-
lules bactériennes pour la nanoscopie. En outre, la linéarité des forces optiques sur
des objets sphériques a conduit à l’utilisation du piégeage optique pour des mesures
quantitatives de la force, comme la force des liaisons intermoléculaires ou la rigidité
d’une membrane cellulaire.
L’ambition de cette thèse est de fournir un système complet de pince optique
robotisée, qui donne à un opérateur un accès direct aux interactions biophysiques à
l’échelle micro dans un espace de travail 3D, avec une interface utilisateur flexible
et intuitive. La plateforme robotique innovante pour la manipulation des cellules
et la mesure des forces présente les contributions majeures suivantes :
• La génération de multiples pièges optiques dans un espace de travail 3D avec
une résolution nanométrique et une grande largeur de bande.
• Un capteur de force 3D en temps réel du piège optique avec une résolution
sub-picoNewton adaptée au contrôle en boucle fermée.
• Un système télérobotique, offrant une interaction homme/machine simple et
un contrôle intuitif de micro-objets biologiques et synthétiques en 6 ddl.
• Les "Optobots", des microstructures actionnées à 6 ddl par des pièges optiques
et avec un capteur de force intégré.
Ces capacités dépassent l’état de l’art, parmi les systèmes commerciaux et de
la littérature. Un tel instrument robotique interactif est particulièrement perti-
nent pour les cas d’utilisation en biologie expérimentale et constitue une plateforme
unique pour sonder le micro-monde.
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