Multi-Sensorial Interface for 3D Teleoperation at Micro and Nanoscale

International audienceThis paper presents the design of a new tool for 3D manipulations at micro and nanoscale based on the coupling between a high performance haptic system (the ERGOS system) and two Atomic Force Microscope (AFM) probes mounted on quartz tuning fork resonators, acting as a nano tweezers. This unique combination provides new characteristics and possibilities for the localization and manipulation of (sub)micronic objects in 3 dimensions. The nano robot is controlled through a dual sensorial interface including 3D haptic and visual rendering, it is capable of performing a number of real-time tasks on different samples in order to analyse their dynamic effects when interacting with the AFM tips. The goal is then to be able to compare mechanical properties of different matters (stiffness of soft or hard matter) and to handle submicronic objects in 3 dimensions

2.4-Å structure of the double-ring Gemmatimonas phototrophica photosystem.

Phototrophic Gemmatimonadetes evolved the ability to use solar energy following horizontal transfer of photosynthesis-related genes from an ancient phototrophic proteobacterium. The electron cryo-microscopy structure of the Gemmatimonas phototrophica photosystem at 2.4 Å reveals a unique, double-ring complex. Two unique membrane-extrinsic polypeptides, RC-S and RC-U, hold the central type 2 reaction center (RC) within an inner 16-subunit light-harvesting 1 (LH1) ring, which is encircled by an outer 24-subunit antenna ring (LHh) that adds light-gathering capacity. Femtosecond kinetics reveal the flow of energy within the RC-dLH complex, from the outer LHh ring to LH1 and then to the RC. This structural and functional study shows that G. phototrophica has independently evolved its own compact, robust, and highly effective architecture for harvesting and trapping solar energy

2.4-Å structure of the double-ring Gemmatimonas phototrophica photosystem.

Phototrophic Gemmatimonadetes evolved the ability to use solar energy following horizontal transfer of photosynthesis-related genes from an ancient phototrophic proteobacterium. The electron cryo-microscopy structure of the Gemmatimonas phototrophica photosystem at 2.4 Å reveals a unique, double-ring complex. Two unique membrane-extrinsic polypeptides, RC-S and RC-U, hold the central type 2 reaction center (RC) within an inner 16-subunit light-harvesting 1 (LH1) ring, which is encircled by an outer 24-subunit antenna ring (LHh) that adds light-gathering capacity. Femtosecond kinetics reveal the flow of energy within the RC-dLH complex, from the outer LHh ring to LH1 and then to the RC. This structural and functional study shows that G. phototrophica has independently evolved its own compact, robust, and highly effective architecture for harvesting and trapping solar energy

Atomic Force Microscopy, modeling, estimation and control

The presented work concentrates on a complete and deep understanding of the Atomic Force Microscopy from the control point of view. This analysis allows us to propose improvements for the Atomic Force Microscopes standard functions. Control approach plays an important role in all this development but profound understanding of the instruments physics has to be reached as well.The second chapter briefly but completely overviews the most important techniques to operate the Scanning Probe Microscope and more precisely the AFM. This chapter should unveil advantages and difficulties of the existing techniques. The most basic function parts of AFM are presented. Followed by a summary of Contact (static) operation mode and Non-contact (dynamic) operation mode.The third chapter concentrates on the modeling of surface interactions and the dynamic of the cantilever with the tip. A simplified model of the surface interaction forces is presented and used as a base to performed simulations later on. Followed by a simplified cantilever model and a more complex multi-mode model based on the beam theory with implemented model for the thermal excitation.The fourth chapter presents an application of observer techniques to Atomic Force Microscopy. A short introduction to all present measurements and detection disturbances is given at the beginning. Theoretical introduction of the observer and its application in control follows. Then two observer applications to Atomic Force Microscope in Amplitude Modulation technique and a new static force measurement are presented.The fifth chapter presents a new operation mode of Atomic Force Microscope based on static measurement of the interaction force. A cold damping technique is used to be able to operate the cantilever in completely static regime and its description is given at the beginning of the chapter. Followed, by theoretical definition and description of a new operation mode called “Cooling mode". The main advantages and disadvantages compared to the standard AFM operation modes are listed to see the functionality improvements and limitations. Experimental setup used to prove this concept is designed and identified in the following text. This information allows us to design a stabilizing controller using pole placement techniques. The realtime measurement results are presented at the end of this chapter.Le travail présenté se concentre sur une complète compréhension de l'AFM du point de vue du contrôle. Cette analyse nous permet de proposer des améliorations au fonctionnement standard de l'AFM. L'approche du contrôle joue un rôle important dans tout ce développement mais une profonde compréhension des instruments de physique a été requise.Le second chapitre, a une vue d'ensemble des techniques les plus importantes pour faire fonctionner la microscopie à sonde locale (SPM) et plus précisement l‘AFM. Ce chapitre dévoile les avantages et inconvénients des techniques existantes. Les fonctions les plus basiques de l'AFM sont représenteé. S'en suit un résumé des modes d'opération de contacte (statique) et modes d'opération de non-contacte (dynamique).Le troisième chapitre se concentre sur les interactions du modèle de surface et la dynamique du levier avec la pointe. Une simplification des interactions du modèle de surface est présentée et utilisée comme base pour accomplir des simulations. S'en suit un modèle de levier simplifié et un modèle multimode plus complexe, basé sur la théorie du faisceau avec l'implantation d'un modèle pour une excitation thermique.Le quatrième chapitre présente une application des techniques de l'observateur pour l'AFM. Un courte introduction présente les perturbations de mesures et les perturbations données par la détection au début. Suit ensuite l'introduction théorique de l'observateur et ses applications pour le contrôle. Puis sont présentés deux observateurs d'application pour l'AFM dans une technique de modulation d'amplitude et une nouvelle mesure de force statique. Le cinquième chapitre présente un mode d'opération de l'AFM basé sur la mesure statique de la force d'interaction. Une technique « cold damping » est utilisée dans le but de faire fonctionner le levier dans un régime complètement statique, la description est faite en début de chapitre. Suivent une définition et une description théorique d'un nouveau mode dopération nommé « Cooling Mode ». Les principaux avantages et inconvénients qui sont comparés aux modes d'utilisation standard de l'AFM sont listés pour constater les améliorations des performances et d'en apprécier les limites. L'expérimentation menée prouve que ce concept est concu et identifié dans le texte suivant. Cette information nous permet de concevoir un contrôleur stable dans la technique de placement du pôle. Les résultats de mesures en temps réel sont présentés à la fin du chapitre

Modélisation, estimation et contrôle de microscope à forca atomique

The presented work concentrates on a complete and deep understanding of the Atomic Force Microscopy from the control point of view. This analysis allows us to propose improvements for the Atomic Force Microscopes standard functions. Control approach plays an important role in all this development but profound understanding of the instruments physics has to be reached as well. The second chapter briefly but completely overviews the most important techniques to operate the Scanning Probe Microscope and more precisely the AFM. This chapter should unveil advantages and difficulties of the existing techniques. The most basic function parts of AFM are presented. Followed by a summary of Contact (static) operation mode and Non-contact (dynamic) operation mode.The third chapter concentrates on the modeling of surface interactions and the dynamic of the cantilever with the tip. A simplified model of the surface interaction forces is presented and used as a base to performed simulations later on. Followed by a simplified cantilever model and a more complex multi-mode model based on the beam theory with implemented model for the thermal excitation. The fourth chapter presents an application of observer techniques to Atomic Force Microscopy. A short introduction to all present measurements and detection disturbances is given at the beginning. Theoretical introduction of the observer and its application in control follows. Then two observer applications to Atomic Force Microscope in Amplitude Modulation technique and a new static force measurement are presented. The fifth chapter presents a new operation mode of Atomic Force Microscope based on static measurement of the interaction force. A cold damping technique is used to be able to operate the cantilever in completely static regime and its description is given at the beginning of the chapter. Followed, by theoretical definition and description of a new operation mode called Cooling mode". The main advantages and disadvantages compared to the standard AFM operation modes are listed to see the functionality improvements and limitations. Experimental setup used to prove this concept is designed and identified in the following text. This information allows us to design a stabilizing controller using pole placement techniques. The realtime measurement results are presented at the end of this chapter.Le travail présenté se concentre sur une complète compréhension de l'AFM du point de vue du contrôle. Cette analyse nous permet de proposer des améliorations au fonctionnement standard de l'AFM. L'approche du contrôle joue un rôle important dans tout ce développement mais une profonde compréhension des instruments de physique a été requise. Le second chapitre, a une vue d'ensemble des techniques les plus importantes pour faire fonctionner la microscopie à sonde locale (SPM) et plus précisement l AFM. Ce chapitre dévoile les avantages et inconvénients des techniques existantes. Les fonctions les plus basiques de l'AFM sont représenteé. S'en suit un résumé des modes d'opération de contacte (statique) et modes d'opération de non-contacte (dynamique). Le troisième chapitre se concentre sur les interactions du modèle de surface et la dynamique du levier avec la pointe. Une simplification des interactions du modèle de surface est présentée et utilisée comme base pour accomplir des simulations. S'en suit un modèle de levier simplifié et un modèle multimode plus complexe, basé sur la théorie du faisceau avec l'implantation d'un modèle pour une excitation thermique. Le quatrième chapitre présente une application des techniques de l'observateur pour l'AFM. Un courte introduction présente les perturbations de mesures et les perturbations données par la détection au début. Suit ensuite l'introduction théorique de l'observateur et ses applications pour le contrôle. Puis sont présentés deux observateurs d'application pour l'AFM dans une technique de modulation d'amplitude et une nouvelle mesure de force statique. Le cinquième chapitre présente un mode d'opération de l'AFM basé sur la mesure statique de la force d'interaction. Une technique cold damping est utilisée dans le but de faire fonctionner le levier dans un régime complètement statique, la description est faite en début de chapitre. Suivent une définition et une description théorique d'un nouveau mode dopération nommé Cooling Mode . Les principaux avantages et inconvénients qui sont comparés aux modes d'utilisation standard de l'AFM sont listés pour constater les améliorations des performances et d'en apprécier les limites. L'expérimentation menée prouve que ce concept est concu et identifié dans le texte suivant. Cette information nous permet de concevoir un contrôleur stable dans la technique de placement du pôle. Les résultats de mesures en temps réel sont présentés à la fin du chapitre.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Observer based position detection of a cantilever in atomic force microscopy

International audienceApplication of observer techniques in position detection of thermally disturbed cantilever is able to significantly improve the performance and accuracy of the (interaction) force measurement. In this paper, we propose a detection technique which applies an observer to measure interaction forces of order of pico newtons with standard Atomic Force Microscope. This technique can be a useful tool for non–contact measurement with constant surface interaction

Observateur-contrôleur pour la mesure topographique par microscopie AFM

International audienceUne loi de commande par retour d'état combinée avec un observateur d'état sont proposés pour améliorer les mesures par Microscope à Force Atomique (AFM), notamment face au bruit thermique. Ces outils sont développés et mis en oeuvre sur un modèle dynamique de faible dimension, mais incluant les non linéarités des forces d'interaction, et les effets fortement perturbant des bruits parasites. Les résultats sont illustrés en simulation sur la base de valeurs numériques représentatives d'un AFM réel