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lu pour vous numéro 108

Détails

" Lu pour vous " n° 108*

Sommaire

  • Technologie - médecine : des micro-robots au service de la médecine
  • Technologies : les nano machines, mécanique de l'invisible
  • Science & techniques : satellites,
  • Evénement - Coop 21 : la traque au C02 a commencé
  • Science & futur : des « drones-ports » pour ravitailler les régions isolées

Technologie - médecine ·Des· micro-robots au service de la médecine.

lpv1081Des robots microscopiques imaginés par une équipe franco-américaine peuvent se propulser dans des fluides biologiques. Objectif : réaliser des actes médicaux à l'échelle cellulaire.

Première étape pour faire de ce rêve de roboticien une réalité : réussir à fabriquer un robot microscopique capable de de se propulser efficacement dans des fluides biologiques. C'est justement ce que sont parvenus à faire Stéphane Régnier, responsable du groupe Micro-nano robotique à l'Institut des systèmes intelligents et de robotique de Paris, et ses collègues Mettin Sitti et Zou Yen de l'université Carnegie Mellon aux Etats-Unis. Dans une publication parue en 2014, ils ont testé des prototypes de robots miniatures et ont ainsi pu démontrer des vitesses de propulsion accrues pour certaines architectures.

« Dans le micro monde, la physique est très différente de celle dont on fait l'expérience tous les jours. Aussi faut-il prendre cela en compte dans le design des robots. En particulier, l'influence de la gravitation est moins importante, si bien que le poids est négligeable devant d'autres forces, par exemple la tension de surface. La dynamique des fluides devient alors contre-intuitive et certains mouvements de nage qui sont efficaces à notre échelle ne le sont plus à l'échelle microscopique. De fait, pour être efficace, le mouvement doit impérativement être de nature « non réciproque », c'est­ à-dire ne pas se répéter de façon périodique.
C'est pourquoi il fallait imaginer un mode de propulsion mieux adapté à des milieux biologiques fragiles : un flagelle artificiel, une sorte de nageoire fine rudimentaire, analogue à celle qu'utilisent les spermatozoïdes et les bactéries pour se déplacer.

lpv1082En 2010, premiers robots de ce type. Long de 5,8 micromètres, il est composé de d'un flagelle fin et souple relié à un aimant de 150 nanomètres de diamètre. Sous l'action d'un faible champ magnétique, l'aimant tourne sur lui-même et entraîne la rotation du flagelle qui propulse ainsi le robot. Le flagelle étant souple, le mouvement qui en découle est suffisamment chaotique pour ne pas se répéter d'une façon périodique, ce qui assure un mouvement non réciproque.

En 2014, Stéphane Régnier, Metti Sitti et Zhou Ye améliorent le système avec des prototypes de robots nageurs de moins d'un millimètre, dotés non pas d'un, mais de plusieurs flagelles flexibles. Après avoir mesuré la vitesse de leurs robots, les chercheurs ont démontré qu'en augmentant le nombre de flagelles ou en leur conférant une forme sinusoïdale, c'est-à-dire torsadée, la force de propulsion, et donc la vitesse maximale des robots s'en trouvent augmentées. D'où des prototypes cinq fois plus rapides que leurs prédécesseurs.

Les roboticiens ont tout d'abord travaillé sur des simulations numériques de robots munis d'un seul flagelle rectiligne. Après avoir modifié un à un les paramètres des équations du mouvement dans ces simulations, les chercheurs ont pu définir les profils les mieux adaptés. Restait à confirmer la justesse et la pertinence de ce résultat par l'expérience. En s'inspirant des meilleures performances des simulations, Stéphane Régnier et ses collègues ont fabriqué plusieurs prototypes de robots avec des techniques de photolithographie, avant de confronter leurs prédictions numériques à la réalité.

lpv1083Les prototypes en question mesurent en moyenne 600 micromètres de long. Bien plus que les quelques dizaines de micromètres requis pour des applications médicales. « En fait, nous travaillons à des échelles intermédiaires, car les robots sont plus grands et donc plus faciles à construire et à étudier, explique Stéphane Régnier. Deux caméras optiques suffisent à mesurer leur vitesse de déplacement. On pourrait penser que l'étude de ces robots est vaine mais ce n'est pas le cas : les résultats obtenus avec des prototypes de l'ordre du millimètre sont en effet transposables à des modèles de quelques micromètres, à condition d'adapter la viscosité du fluide de façon à rester dans le même régime d'écoulement ». Du fait, en mécanique des fluides, deux mouvements qui s'exercent à des échelles différentes sont considérés analogues s'ils ont lieu dans un même régime d'écoulement. Or, ce dernier est caractérisé par un paramètre appelé « nombre de Reynolds », proportionnel au rapport entre la viscosité du fluide et la dimension du robot. Deux nombres de Reynolds identiques correspondent donc à deux régimes d'écoulement analogues. Dans le cas d'une bactérie ou d'un micro robot de quelques micromètres de long se déplaçant dans des fluides peu visqueux comme le sang, ce nombre est proche de zéro. Il suffit d'utiliser un fluide suffisamment visqueux pour obtenir un nombre de Reynolds similaire et transposer les résultats obtenus.

Les expériences ont consisté à tester les capacités de propulsion des prototypes dans de l'huile de silicone très visqueuse, de façon à conserver un nombre de Reynolds quasi nul. Huit robots ont été étudiés successivement dans les mêmes conditions expérimentales.

Deux caméras optiques, l'une placée au-dessus du récipient, l'autre sur le côté de celui-ci, filmaient en permanence le mouvement des robots. Résultat : la vitesse augmente proportionnellement au nombre de flagelles. Mais au-delà de quatre flagelles, la vitesse chute de façon drastique lorsque la fréquence de rotation du champ magnétique dépasse un certain seuil. Dans ce cas, les flagelles n'arrivent plus à suivre le rythme et se désynchronisent. Au de-là de quatre, les flagelles sont trop proche les uns des autres, si bien que leur action réciproque nuit à la propulsion du robot.

Les mesures de vitesse des prototypes ont confirmé des performances accrues pour les robots munis de flagelles sinusoïdaux par rapport à ceux munis de flagelles rectilignes.

Il se trouve que, comme nos robots, les bactéries ont adopté le mode de déplacement le plus performant qui soit.

L'équipe de Stéphane Regnier a pu monter que le système le plus rapide est un robot muni de deux flagelles de forme sinusoïdales. Inconvénient : leur trajectoire chaotique. La prochaine étape sera donc le contrôle précis des mouvements de ces robots.

En 2015, les chercheurs sont parvenus à contrôler les déplacements de prototypes de longueur variant de 1 millimètre à 2 centimètres, munis d'un seul flagelle sinusoïdal, dans les trois directions de l'espace, alors que les précédentes étaient cantonnées dans un plan. Dans un avenir proche, ils souhaiteraient contrôler trois robots simultanément. Mais ce système n'est-il pas envisageable pour contrôler la position de robots de quelques micromètres, invisibles à l'œil nu.
Stéphane Regnier ne voit pas comme application prometteuse l'utilisation de ces robots in vivo chez l'homme. Il estime que ces micros robots seraient particulièrement adaptés pour améliorer les laboratoires sur puce. Ces puces électroniques ont vocation à rassembler plusieurs fonctions classiques des laboratoires traditionnels comme l'analyse des toxines, l'analyse de sang, d'urine, la détection des cancers, l’analyse génétique, etc. « Dans l'avenir, ces micro robots ont vraiment un rôle à jouer dans l'optimisation de ces laboratoires miniatures. On peut tout à fait imaginer les exploiter pour prélever de I'ADN avec précision dans des échantillons de sang. Ou encore pour déposer des marqueurs biologiques sur des cibles particulières.

L'enjeu de la micro robotique n'est autre que de faire disparaître les frontières qui séparent le monde microscopique de notre monde macroscopique.

Source : La Recherche, n° 505, novembre 2015, par Gautier Cariou.

Technologies : les nano machines, mécanique de l'invisible.

lpv1084Des structures faites d’une ou de quelques molécules pourraient révolutionner de nombreux domaines comme les matériaux, la médecine ou le stockage des données.
Quatre voitures de course s’élanceront bientôt dans une course unique au monde. Et pour cause. Ces voitures seront constituées d’une seule molécule !
Pour les propulser sur la piste de 30 nanomètres de longueur, les pilotes (des allemands, japonais et américains) utiliseront les électrons produits par un microscope à effet tunnel. Cette « nano-course se déroulera à l'automne 2016 à Toulouse, comme s'apprête à l'annoncer le Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales. « Au départ nous avions lancé l'idée comme une plaisanterie, raconte Christian Joachim, professeur au Centre et co­organisateur de l'événement. Mais notre objectif est d'encourager la recherche autour des molécules-machines.

Ces vingt-cinq dernières années, les scientifiques ont en effet appris à synthétiser ces minuscules engins mécaniques, constitués d’une ou plusieurs molécules capables de réaliser des mouvements sous l'influence d'un stimulus physique ou chimique. Ils leur ont ainsi crée des interrupteurs, des moteurs, des valves, des engrenages, etc., et ont appris à les actionner dans le nano monde.

Désormais, ils espèrent mettre ces connaissances en application pour concevoir des matériaux intelligents, des ordinateurs moléculaires ou révolutionner le mode d'administration des médicaments.

lpv1085C'est l'ultime étape de la miniaturisation, estime David Leigh, professeur de chimie organique à l'université de Manchester (Royaume-Uni). Nous savons que cela fonctionne puisque tous les processus biologiques utilisent des machines moléculaires. Elles assurent la photosynthèse, la vie cellulaire, le fonctionnement de notre cerveau... Mais l'homme du XXIe siècle n'a toujours pas appris à s'en servir ! » . David Leigh est convaincu que les nano machines seront à l'origine d'un nouveau saut technologique. Le chercheur britannique a d'ailleurs mis au point le premier ribosome artificiel en 2013. Dans notre corps, les ribosomes servent à synthétiser les protéines en décodant l'information génétique.

Les nano machines conçues par David Leigh sont, quant à elles, capables d'assembler plusieurs molécules dans un ordre prédéterminé, à la manière d'une ligne de production dans une usine.

« C'est quelque chose qu'on ne sait pas faire aujourd'hui en chimie classique. Pour fabriquer des plastiques par exemple, on réalise des chaînes moléculaires comportant au maximum trois éléments différents .Avec ces appareils nanométriques il devient possible de combiner un grand nombre de molécules entre elles de façon contrôlée, ce qui ouvre la porte à la conception de matériaux entièrement nouveaux », s'enthousiasme le chimiste.

Des densités de stockage multipliées.

Ces matériaux pourraient aussi change r de propriété au cours du temps grâce à l'utilisation d'interrupteurs moléculaires. Synthétisées pour la première fois en 1991 par Fraser Stoddart, ce sont des assemblages de deux molécules entrelacées, l'une en forme d’haltère, l'autre en forme d'anneaux (schémas ci-dessus), pouvant coulisser, modifiant ainsi leurs propriétés. Si de tels interrupteurs étaient greffés à la surface d'un objet, il deviendrait possible de changer ses caractéristiques, par exemple de le rendre adhésif simplement en l'éclairant.

lpv1086Fraser Stoddart utilise quant à lui ces interrupteurs pour concevoir des mémoires moléculaires. Ces dernières pourraient offrir une densité de stockage de données bien supérieure à celle des dispositifs à transistors conventionnels, tout en consommant moins d'énergie. En 2007, le chimiste a ainsi mis au point ce qui était alors la plus petite mémoire au monde, capable de stocker 100 gigabits au centimètre carré. Chaque bit est constitué d'une couche d'environ 200 molécules-interrupteurs, activées à l'aide d'un signal électrique. Désormais, Fraser Stoddart tente de réaliser ce type de mémoire en trois dimensions.

« C'est un premier pars vers un ordinateur moléculaire. Mais avant d'en arriver là, il reste beaucoup d'obstacles à franchir. Il faut notamment améliorer la robustesse des systèmes moléculaires, qui pour l'instant ne résiste qu'à une centaine de cycles de fonctionnement », souligne le chercheur.

Mieux cibler les cellules cancéreuses.

Fraser Stoddart espère aussi mettre à profit les nano machines pour améliorer l'administration de médicaments dans le corps humain. « On cherche à concevoir des vecteurs qui délivrent le principe actif spécifiquement sur la zone à traiter pour limiter les effets secondaires », explique-t-il. Pour y parvenir, le chimiste a équipé de valves les pores de de nanoparticules de silice. Ces nano valves, de grosses molécules cycliques, peuvent s'ouvrir et se refermer à la demande, relâchant de manière localisée un anticancéreux encapsulé dans les pores. Sébastien Papot, professeur à l'université de Poitiers, utilise lui aussi des molécules cycliques comme boucliers pour protéger des molécules actives. Lorsqu'elles atteignent leur cible, et sous l'effet des enzymes naturellement présentes à proximité de la tumeur, les boucliers s'ouvrent pour libérer le médicament. « On peut penser un jour ces engins pourront s'intégrer dans les processus biologiques pour réparer, et pourquoi pas améliorer le corps humain », imagine le chercheur, qui nourrit de grands rêves pour ces petites machines.

Source : Sciences et Avenir, N° 826, décembre 2015, signé Audrey Boehly

Science & techniques : satellites.

lpv1087L'imagerie satellitaire ne se contente plus de cartographier la Terre, elle offre désormais de la décrypter en temps quasi réel. Premières applications industrielles.
Les images transmises depuis l'espace en format numérique se sont banalisées.

Jusqu'à récemment, elles sont néanmoins restées l'apanage des agences spatiales et d'institutions dotées des ordinateurs et des logiciels capables de recueillir et de traiter cette manne. Mais la donne est en train de changer.
Les progrès de la transmission, du stockage et du traitement de très gros fichiers de données sont en train de faire entrer les satellites dans l'ère des « big data » : les images spatiales numérisées, produites par millions ( à lui seul, le premier satellite à imagerie radar de la mission Sentinel-1 de l'ESA, lancé en 2014, recueille et délivre chaque jour 2,5 térabits de données), commencent à s'infiltrer dans les services d'urbanisme, les administrations ,les industries ou encore chez les agriculteurs. D'autant que les agences exploitant les satellites facilitent désormais l'accès à leurs images, en quelques clics et en partie gratuitement, quoique au prix d'une résolution plus faible.

Surtout, avec le développement de l'analyse automatique des images et la capacité de certains satellites de prendre des clichés d'un même lieu à quelques minutes d'intervalle, voici que les satellites deviennent « intelligents ». En clair : ils ne se contentent plus de cartographier passivement le territoire, mais permettent de décrypter, en temps quasi réel, l'activité qui s'y déroule.

A l'Onera, centre français de recherche aérospatiale, le projet Méduse (Mise à jour d'un Ensemble de Données Urbaines pour la Surveillance et l'Environnement), en cours de développement, envisage de faire des satellites un auxiliaire « intelligent » des activités urbaines : suivi du trafic automobile pour mieux gérer la planification urbaine et le positionnement des infrastructures, suivi des déformations du terrain, mais aussi de structures ( ponts, tours ...), bilans thermiques des bâtiments...
Planifier des récoltes.

lpv1088« Cette année, avec le service Farmstar, opérationnel depuis 2012, nous suivons en permanence l'évolution de 740 000 ha de cultures sur l'ensemble du territoire français, explique Philippe Mateu, analyste image d'Airbus Defence and Space. Le satellite permet un suivi précis de l'évolution des cultures, avec un traitement automatique des images qui permet de de caractériser la vigueur des plantes. A un niveau supérieur de précision, nous pouvons également mesurer le couvert végétal des vignes pratiquement pied par pied pour en déduire la maturité du raisin. Les viticulteurs peuvent alors planifier leurs vendanges au plus près de l'état de la vigne ».
Les satellites sont aussi devenus indispensables pour mesurer des volumes ; lorsqu’il s'agit par exemple d'éviter de se déplacer dans des zones dangereuses ou difficiles d'accès.

Si les satellites livrent autant d'informations, c'est aussi grâce à leur acuité toujours accru. Au niveau européen, par exemple, les stars de l'imagerie spatiale optique sont les satellites Spot et Pléiades : Spot 6 « mis à poste » en 2012, et Spot 7, en 2014, affichent une résolution d'environ 1,50 m. Idéal pour l'aménagement du territoire. Arrivés eux aussi sur le marché à partir de 2012, les Pléiades atteignent 50 cm de résolution.

A la fois civiles et militaires.

Certes, les satellites sont placés sur des trajectoires fixes, mais la mobilité de leurs capteurs autour de leur axe est synonyme de flexibilité opérationnelle : un Pléiades peut ainsi « regarder « jusqu’à 240 kms de part et d'autre de sa trajectoire. Et quand les militaires prennent le contrôle du pointage des optiques, ils sont les seuls à savoir où ils regardent ...

L'humain reste à ce jour plus performant que la machine pour traiter bon nombre de paramètres, qui sont pris en compte de façon inconsciente ou intuitive par le cerveau, explique Philippe Mateu. Le logiciel reste pour l'instant une aide, mais il fait encore trop d'erreurs pour que l'on puisse se passer de l'intervention humaine. »
L'expertise humaine reste, à ce stade, incontournable. Mais cela ne change rien à la révolution en cours : l'imagerie satellitaire est bel et bien devenue intelligente.

Source : Science et Vie, N° 1179, décembre 2015, signé Frédéric Lert.

Evénement - Cop 21- : la traque au CO2 a commencé.

Pour que la planète ne se réchauffe pas de plus de 2°C, l’Union européenne et 195 Etats réunis à Paris devront s'engager à réduire fortement leurs émissions. De même que de nombreuses grandes entreprises, villes, régions.

Repères actuels :

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Science & futur : des « drones-ports » pour ravitailler les régions isolées.

lpv1089 2Ils pourront donner des ailes à l'Afrique.

Equivalent de l'aéroport pour les avions, le « drone port » imaginé par l'agence d'architectes

Foster+ Partners et l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne verra le jour entre mars et avril 2016, à Kibuye, au Rwanda. L'installation qui comprend cinq dômes au bout d'une piste en terre, accueillera des drones civils de 3 à 6 mètres de long capables de transporter des colis de 10 à 100 kg. Des poches de sang, des médicaments, des denrées alimentaires, mais aussi du courrier seront ainsi acheminés. « De nombreux villages africains manquent d'infrastructures et du matériel de première nécessité », explique Jonathan Ledgard, responsable du projet. Le drone-port devra comporté, en plus de hangars de stockage, un centre médical, un bureau de poste et un atelier de réparation. Situé à moins de 1km des habitations, il sera accessible à pied et servira de relais pour les autres villages. Car « certains sont très isolés et les routes quasi inexistantes : le drone est un moyen de contourner cette difficulté », explique le responsable. Le projet pilote, qui débutera en 2016, acheminera d'abord des petits colis (10 kg) et des denrées médicales. Si les premiers vols sont concluants, les opérations commerciales pourraient être lancées d'ici trois ans. A cette échéance, les organisateurs envisagent entre 30 et 40 vols par jour. « Cette fréquence sera un minimum pour que cette technologie prenne tout son sens », précise Jonathan Ledgard.

Source : Science et Vie, N° 1179, décembre 2015, signé E.P.

*Les articles qui figurent dans cette rubrique sont transmis à titre d'information scientifique et / ou Technique. Ils ne sont en aucun cas l'expression d'une prise de position de l'UDISS ou d'un jugement de valeur

   
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