Design and Optimization of Magnetic Actuation for Microrobotics and Endoscopy

Conception et optimisation de l'actionnement magnétique pour la microrobotique et l'endoscopie Les systèmes d'actionnement magnétique ont suscité un vif intérêt au cours des dernières décennies, car les champs magnétiques pénètrent les tissus avec une atténuation minimale, permettent la génération de forces et de couples sans contact, et offrent la possibilité à des dispositifs miniaturisés de fonctionner sans source d'énergie embarquée ni câblage encombrant. Ces propriétés rendent l'actionnement magnétique particulièrement adapté aux interventions mini-invasives, telles que la délivrance ciblée de médicaments et l'endoscopie guidée par champ magnétique, où la réduction des contraintes mécaniques et des contacts avec les tissus est essentielle. De récentes études soulignent de manière constante ces avantages et leur potentiel clinique pour des dispositifs allant de l'échelle micrométrique à centimétrique. Ce travail doctoral présente la conception, l'optimisation et la validation expérimentale de systèmes d'actionnement par aimants permanents à deux échelles : la manipulation microrobotique pour la délivrance ciblée, et le contrôle à six degrés de liberté (6-DDL) d'un endoscope magnétique câblé. L'idée centrale consiste à créer des maxima locaux stables du champ magnétique, agissant comme des points de convergence intrinsèques. Un cadre unifié a été développé, intégrant modélisation analytique, optimisation sous contraintes et validations expérimentales, afin de faire progresser la manipulation magnétique aux échelles micro et macro. L'algorithme d'optimisation, utilisé pour concevoir les deux actionneurs au sein d'un effecteur terminal compact à quatre aimants, a été validé par une cartographie tridimensionnelle à haute résolution du champ magnétique. L'actionneur microrobotique a réalisé un suivi de trajectoire en boucle fermée le long de chemins inspirés de la microvascularisation rétinienne, via une commande par vision simple de type look-and-move, atteignant une grande précision de positionnement avec une erreur maximale de 62 μm. De plus, une navigation expérimentale en boucle ouverte le long d'un trajet inspiré de la cochlée a été effectuée et répétée sur onze essais, montrant une performance constante avec une faible déviation maximale par rapport à la trajectoire de référence de 128 μm, démontrant ainsi une navigation fiable même sans retour d'information continu. Pour l'optimisation de l'effecteur endoscopique, des contraintes supplémentaires ont été introduites afin d'élargir la portée radiale et de préserver la stabilité axiale sur plusieurs plans. Le système d'endoscope magnétique à câble souple a permis une manipulation précise à 6-DDL, avec de faibles erreurs de translation et de rotation, une bonne robustesse face à d'importantes perturbations latérales accompagnée d'un rétablissement rapide sous-amorti, ainsi qu'une navigation réussie dans des environnements confinés avec un contact tissulaire réduit. Le système actuel démontre un contrôle fiable d'un microrobot 2D dans un environnement maîtrisé et une opération stable avec une longueur de câble fixe. Sur cette base, les travaux futurs viseront à étendre les capacités d'actionnement et de détection vers un contrôle tridimensionnel complet du microrobot, permettant la régulation en profondeur, une meilleure stabilité hors plan et une localisation en boucle fermée à travers plusieurs plans d'imagerie. La plateforme endoscopique bénéficiera également d'un contrôle actif de la longueur du câble, permettant un ajustement dynamique de la compliance axiale et de la charge en torsion, afin d'améliorer la portée, la précision de pose et la sécurité lors des applications in vivo.