Perception et immersion interactive dans le Nanomonde : Sa mise en scène grâce à la réalité virtuelle et aux interfaces haptiques

International audienceContexte et introduction Le terme « Nanomonde » est récent, il désigne la partie de notre monde qui se situe à des distances et tailles très petites par rapport à l'échelle macroscopique dans laquelle les humains évoluent quotidiennement. Pour illustrer ce que représente un nanomètre, il faut s'imager un fil dont le diamètre serait presque cent mille fois (100 000) plus petit que celui d'un cheveu... On pourrait se dire que ce monde est inaccessible et nous touche peu…. Erreur ! Dans cet univers se déroulent des processus et une vie qui sont soit devenus quasi-indispensables à nos activités modernes soit qui le sont depuis toujours… Depuis une dizaine d'années les écrans tactiles interactifs de haut niveau dont les « smart phones » et les tablettes sont les figures de proue, ont trouvé une place de choix dans notre quotidien. Chaque année, ces équipements mobiles ainsi que les ordinateurs présentent des capacités de stockage des données en hausse, d'accès à l'information et des applications toujours plus performants. Par exemple, l'appareil photo et webcam intégrés aux ordinateurs, tablettes et « smart phone » produisent des images de très bonne qualité en haute définition. Cette course aux toujours « plus » est permise par la miniaturisation des circuits électroniques et opto-électromécaniques et plus particulièrement de leurs éléments de base à savoir le transistor [1] et les systèmes mécaniques (structure déformable et/ou mobile) mieux connus sous l'acronyme MEMS et NEMS i [2]. Leur rôle respectif est pour le transistor de coder et stocker l'information (images et sons) sous la forme de « 0 » ou de « 1 » tandis que les systèmes électro-mécaniques détectent les déplacements et l'orientation de l'appareil, ainsi par exemple la tablette affiche verticalement ou horizontalement le contenu de l'écran en fonction de l'angle que vous lui donnez. La réduction dimensionnelle de ces briques de base densifie leur présence : leur population double sur une surface constante tous les 18 mois environ comme le prédit la célèbre 'loi' de Moore [3]. Cette course à la miniaturisation implique qu'à présent les dimensions de ces briques de base sont nanométriques ce qui les rend sensibles aux phénomènes physicochimiques et quantiques prédominant à cette échelle, perturbant ainsi leur fonctionnement classique. Il est donc indispensable d'étudier et comprendre ces phénomènes afin de pouvoir soit les minimiser soit les mettre à profit pour élaborer de nouveaux circuits. En parallèle, la nature n'a pas attendu les innovations technologiques humaines pour peupler le Nanomonde, la vie a même commencé à cette échelle ! En effet, des virus aux cellules en passant par les bactéries, tous ces systèmes biologiques sont issus de la même brique élémentaire l'ADN ii (ou ARN iii) et leur taille est pleinement ou partiellement nanoscopique (par exemple le diamètre i MEMS, NEMS : Micro/Nano Electro-Mechanical System ii ADN : acide désoxyribonucléique iii ARN : acide ribonucléiqu

Real-time simulation of AFM tip-surface cohesive interactions

International audienceThe manipulation of nano-objects requires specific instruments as Atomic Force Microscopes (AFM). Despite qualities and performances of these devices, many physicists complained about the lacks of adequate man-AFM interfaces, since the experimentalist can not control the AFM tip during the sample scan or feel in real-time the results of his actions on the sample surface. The work presented here aims to this objective: allowing the experimentalist to act on and feel the nanoworld phenomena during the manipulation by the use of multisensory representations including the force feeling

Implementation of perception and action at nanoscale

Real time combination of nanosensors and nanoactuators with virtual reality environment and multisensorial interfaces enable us to efficiently act and perceive at nanoscale. Advanced manipulation of nanoobjects and new strategies for scientific education are the key motivations. We have no existing intuitive representation of the nanoworld ruled by laws foreign to our experience. A central challenge is then the construction of nanoworld simulacrum that we can start to visit and to explore. In this nanoworld simulacrum, object identifications will be based on probed entity physical and chemical intrinsic properties, on their interactions with sensors and on the final choices made in building a multisensorial interface so that these objects become coherent elements of the human sphere of action and perception. Here we describe a 1D virtual nanomanipulator, part of the Cit\'e des Sciences EXPO NANO in Paris, that is the first realization based on this program.Comment: Proceedings of ENACTIVE/07 4th International Conference on Enactive Interfaces Grenoble, France, November 19th-22nd, 200

Atomic Force Microscope Functionality Simulation : Physical and Energetic Analogies

Poster - http://www.asmeconferences.org/conference-home/NANO.cfmInternational audienceUsing Atomic Force Microscopes (AFM) to manipulate nano-objects is an actual challenge for both physicians and biologists. Many visual and haptic interfaces between the AFM and experimentalists have already been implemented. The multi-sensory renderings (seeing, hearing, feeling) studied from a cognitive point of view increase the efficiency of the actual interfaces and represent our challenge. To allow the experimentalist to feel and touch the nano-world, we add mixed realities between an AFM and a force feedback device, enriching thus the direct connection by a modeling engine. The functionality of an AFM is described in this paper through physical and energetic analogies

Manipulation dans le micro/nanomonde (dispositif haptique préhensile)

Le rayonnement synchrotron et la microscopie à sondes locales (SPM) sont deux des techniques les plus utilisées pour étudier les propriétés physiques et chimiques de nanostructures. Le couplage de ces deux techniques est prometteur pour les nanosciences en leur ouvrant de nouveaux horizons. D'un point de vue expérimental ce couplage est un défi exaltant et a déjà prouvé ses capacités par la combinaison de la Microscopie à Force Atomique (AFM) et de la diffraction de Rayons-X pendant le projet X-tip, qui, grâce au développement d'un microcope à force atomique embarqué sur une lugne de lumière synchrotron a permis l'étude du module de Young de microplots de germanium en procédant simulatanément à son indentation et à son analyse par diffraction. Cependant, cette configuration ne permet pas de manipuler en trois dimensions (3D). Le but ultime, pour notre nano-manipulateur est de manipuler en 3D avec un contrôle permanent des nano-forces exercées sur l'objet sous un faisceau d'analyse (rayon X, LASER). Le premier chapitre s'attarde donc sur les senseurs qui devront rendre compte des interactions à l'échelle nanométrique et permettre la saisie d'un objet individuel. Après un tour d'horizon de différentes techniques de micro/nanomanipulation disponibles à ce jour (micro-préhenseurs mécaniques basés sur la technologie MEMS, pinces optiques, préhenseurs basés sur la microscopie à force atomique conventionnelle) et devant les contraintes qu'implique le couplage d'un tel système avec les expériences synchrotron, le choix des oscillateurs à quartz (Diapason et LER) en tant que senseurs est expliqué. La microscopie à force atomique en générale et le fonctionnement particulier de ces oscillateurs sont décrits. Dans le second chapitre le développement instrumental de notre station de nanomanipulation est détaillé et notamment : Comment mettre en place ce type de résonateurs et la pointe associée pour réaliser à la fois l'imagerie AFM de l'échantillon et la préhension de l'objet? Comment contrôler le positionnement grossier et fin des trois éléments d'une nanomanipulation? Enfin le système haptique ERGOS et son couplage avec notre montage est décrit. Dans le dernier chapitre, deux types d'expériences sont présentés : le premier ne fait intervenir que notre montage piloté classiquement par ordinateur et montre ses capacités à réaliser la préhension d'objets micrométriques de manière contrôlée. Le second fait intervenir le couplage entre notre montage et le système haptique pour réaliser l'exploration rapide d'un échantillon ainsi que la localisation et la reconnaissance de forme d'objet sub-micronique. Ces expériences rendent compte des capacités de ce couplage à transmettre directement à un utilisateur les interactions à l'échelle nanométrique ainsi que la possibilité par l'intermédiaire de cette interface de réaliser des tâches complexes : manipulation sur une surface, reconnaissance de forme, et suivi de contour.The synchrotron radiation and scanning probe microscopy (SPM) are the (two) most used techniques to study the physical and chimical properties of nanostructures. Coupling these two techniques is promising for the nanosciences by opening news horizons. From an experimental point of view, this coupling is an exciting challenge and has already proven its skills with the combination of Atomic Force Microscopy (AFM) and X-Ray diffraction during the X-tip project, which, thanks to the development of an atomic force microscope embended on a synchrotron beamline, has permitted to study Young's modulus of germanium microplots proceeding simultaneously with its indentation and its diffraction analysis. However, this configuration doesn't permit a three dimension (3D) manipulation. The ultimate goal, for our nano-manipulator, is to manipulate in 3D with a permanent control of nano-forces exerted on the object undcer a scanning beam (X-Ray, laser). The first chapter therefore focuses on the sensors which measure the interactions at a nanometer scale and permit the seizure of an individual object. After an overview of the differents techniques of micro/nano-manipulation available today ( mechanical micro-grippers based on MEMS technology, optic tweezers, grippers based on conventionnal atomic force microscopy), and in front of the constraints implied by the coupling of this kind of system with the synchrotron experiments, the choice of quartz oscillators (Tunning fork and LER) as sensors is explained. The atomic force microscopy in general and the particular behavior of these oscillators is described. In the second chapter, the instrumental development of our nano-manipulation station is detailed and especially : How to implement this type of resonators and the associated tip to achieve both AFM imaging of the sample and gripping of the object ? How to control the coarse and fine positionning of the three elements of a nano-manipulation ? Finally, the haptic system ERGOS et its coupling with our assembly is describe. In the last chapter, two types of experiments are presented : the first involves only our assembly piloted classically with a computer and show its skills in the achievement of gripping of micrometric objects in a controled way. The second involves the coupling between our assembly and the haptic system to achieve the fast exploration of a sample and also the location and shape recognition of sub-micronic objects. These experiments reflect the capacities of this coupling to directly transmit to an user the interactions at a nanometer scale and also the possibility using this interface to achieve complex tasks : manipulation on a surface, shape recognition and contour tracking.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

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

Touching nanospace : Atomic Force Microscope coupling with a force feedback manipulation system

International audienceToday, Scanning Probe Microscopies (SPM) are widely used in physics, chemistry and biology in order to image surfaces with a great resolution but also more and more as tool to manipulate nano-objects or to modify surfaces at nanometer scale. At the present time, using SPM to manipulate nano-objects is not user friendly and is time consuming. These two weak points are due to the absence of feedback control in real time of the tip movements and of tip-surface or tip/nano-objects interactions. The aim of our research work is to realise an active feedback control interface which will allow to feel in real time but also to simulate the tip movement and/or tip-surface/nano-objects interactions

Approaching nano-spaces : 1-DOF nanomanipulator

International audienceDifferent scientific fields like biology or physics develop applications where a successful nano-object manipulation is peremptory. In the aim of realizing a useful multi-sensory interface allowing thus, human presence in the nano-world, we present in this paper the first results from the one-degree of freedom (DOF) nano-manipulator developments that connects an Atomic Force Microscope (AFM) with our Force Feedback Gestural Device (FFGD). The application of the AFM-FFGD coupling contains a redefining of the real-time remote-control handling, bringing in the concept of mixed reality. The designed models described in this paper represent the basis of the virtual reconstruction of a nano-scene