Conception et commande en boucle fermée de dispositifs de contrôle de trajectoires de cellules biologiques basé sur un actionnement par diélectrophorèse

Design and closed-loop control of devices for biological cell trajectory control based on dielectrophoresis actuation

• Auteur / Autrice : Alexis Lefevre
• Direction : Aude Bolopion, Michaël Gauthier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 27/11/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d epréparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Partenaire(s) de recherche : site de préparation : École nationale supérieure de mécanique et des microtechniques (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Marie Frenea-Robin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frederica Caselli, Sinan D. Haliyo, Zdenek Hurak
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Le Brun, Christine Prelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande non linéaire

Diélectrophorèse

Microrobots

Mots clés libres

Microrobotique

Suivi de trajectoire

Conception

Commande

Puce microfluidique

Microrobotics

Trajectory following

Design

Control

Microfluidic chip

Dielectrophoresis

Résumé

L'étude de cellules biologiques uniques est un besoin croissant en biologie. Cela nécessite des méthodes de déplacement et d'analyse de cellules individuelles. Ce manuscrit propose d'exploiter la diélectrophorèse comme moyen d'actionnement, afin de contrôler la trajectoire de cellules et plus largement d'objets micrométriques dans des puces microfluidiques. Il propose des méthodes de modélisation et de commande permettant de contrôler la trajectoire en boucle fermée de micro objets malgré la forte non linéarité et la grande dynamique du comportement. Elle est basée sur une commande non linéaire exploitant des informations visuelles planaires, et un observateur original permettant d'estimer la position de l'objet déplacé dans le plan orthogonal à l'image. Les validations expérimentales ont démontré la capacité à suivre des trajectoires arbitraires en deux dimensions à des micro objets (rayon 5µm) de densités différentes : des microbilles en verre et des lymphocytes T, avec une erreur maximale inférieure à la moitié de leur rayon. Les méthodes proposées ont ainsi permis d'obtenir le premier suivi de trajectoires en boucle fermée de cellules uniques. Une approche originale basée sur la mesure d'impédance est également proposée pour s'affranchir du retour par caméra et réaliser un contrôle en boucle fermée utilisant les champs électriques à la fois pour l'actionnement et la mesure.

The study of individual biological cells is a growing need in biology. This requires methods for the manipulation and analysis of individual cells.This manuscript proposes to use dielectrophoresis as a means of actuation to control the trajectory of cells and, more generally, micrometric objects within microfluidic chips. It presents modeling and control methods for closed-loop trajectory control of micro-object despite the strong non-linearity and the high dynamic of the behavior.It is based on a nonlinear control approach using planar visual information and an original observer to compute the position of the moved object in the plane perpendicular to the image. Experimental validations have demonstrated the ability to make micro-objects (5µm radius) with different densities, including glass microbeads and T lymphocytes, follow arbitrary two-dimensional trajectories with a maximum error less than half of their radius. The proposed methods have thus enabled the first closed-loop tracking of individual cells.An original approach based on impedance measurement is also proposed to remove the need for visual feedback and achieve closed-loop control using electric fields for both actuation and measurement.