Poster Session II : Applications 8 Ernrnerging Technologies

Conception d’un BioMicroRobot autonome Re.jean Fontaiiie, Martin Otis, Martin .Tarry, Hicham Semmaoui, Marie-Eve Gosselin, Patrice Masson,

Hugues Menard

Rkurnd--Cet article prCsente les avancements tecbnologiques pour la conception theorique et pratique d’une architecture elementaire et minimale d’un BioMicroRobot (BMR) hexapode autonome. L’autonomie minimale depend du systeme de gestion des CvCnements globaux, regionaux et locaux. Cette gestion est avant taut perque par deux types de recepteurs: les extlrocepteurs internes (vision) et ceux externes (systeme de reperage et de detection de l’enrironnenient). La planification des 6vCnements dans un enrironnement confine repose sur un systerne complexe qui incorpore un microcontrBlenr d’architecture RISC, un systeme de propulsion bio-inspire indlpendant qui agit comme un pilote, un systeme d’alimentation et de communication et finalement un detecteur de proximite qui agit 6 titre d’exterocepteurs internes. L’avant derniire section presente u n procedl de fabrication de la structure complete du BMR qui peut supporter une hiirarchie hybride 6 deux niveanx avec In logique floue.

Index Ternis-IPMC, PWM, Naiion. biomicrorobot, CPG,

1. INTRODUCTION

a microrobotique a refait surface recemment avec l’arrivie

note beaucoup d’intkrit dans la micromanipulation de micro- organismes, dans l’assemblage de micromoteur et dans I’exploration des milieux fortement confines. Ce domaine est une science en emergence qui lie les technologies diveloppees par la micrdlectronique et par la robotique [l]. Le projet, developpe au Gmupe de recherche en uppareillage midical de Sherhrooke (GRAMS), est au centre d’une iquipe multidisciplinaire qui regroupe plusieurs acteurs en chimie, en physique, en electronique et en mecanique, possedant les connaissances techniques necessaires a l‘accoinplissement des travaux de recherche en biomicrorobotique. Ce domaine implique la conception et la fabrication de inicrorobots, voire de nanorobots pouvant se deplacer dans tm fluide biologique pour des applications biomedicales. Ceux-ci doivent itre capables d’effectuer certaines riprations du corps humain et meme d’y manipuler des cellules. Ce domaine en est encore qu’a ses debuts et se poursuivra sur plusieurs annees. Par consequent, il est envisageable de tirer profit de la miniaturisation des circuits et des composantes electroniques pour diminuer la dimension du BMR

Les travaux du GRAMS se concentrent sur la conception thiorique et la fabrication d’un BioMicroRobot (BMR) bexapode autonome de I’ordre millimttrique base sur un ionomere a Bchange d’ions et sur des ciramiques d’alumine.

L des MEMS (Micro-E/ectro-Mec/iunjculs Svstems). On

Sa conception a necessiti le developpement de circuits intigres bases sur la techiiologie CMOS P18 pour le contrde du BMR.

Les travaux de recherche actuellement en cours explorent dityirents axes, don1 la conception de nouveaux mecanismes et dispositifs de propulsion milliinitriques et micrometriques, I’organisation spatiale. l’intelligence artificielle, et la manipulation d’objets niicrometriques [?I. Un des objectifs consiste a la coinmande des pattes selon le dispositif de vision ce qui iinplique plusieurs contraintes doiit un contrBle adeqtiat el un faible volume afin de pouvoir ]’implanter dans le corps humain.

Le developpement du BMR necessite d’utiliser et de valider plusieurs algorithmes de contrble. La conception de ces algorithmes est critique, car de cette maniere. il sera possible de trouver celui qui perinet d’obtenir un deplacement optimal du BMR et une ainelioration de la puissance de consoinmation. Connne plusieurs algorithmes doivent etre experimentes, il est donc primordial que le circuit integre utilise une architecture qui soit souple et reprogramable.

L’implantation B I’inlerieur du corps humain necessile d’utiliser des matiriaux biocompatibles et, ce faisant, il ne sera pas possible de relier le circuit par un lien physique. Etant donne que les piles d’alimentation existantes actuellement sont encore trop imposantes, ce BMR devra itre alimenld par un s y s t h e exteme: ce qui entraine une limitation de la puissance disponible. De plus, la programmation du robot doit @tre assuree par un lien de communication sans fil a haul rendenient; ce qui nicessitera un lien a faible debit. Comme la puissance et les communications seront acheininees via ce lien exteme, il est important de selectionner une technologie ayant une faible consommation d‘energie et de choisir un protocole de communication pouvant Stre transmis via un lien RF (Radio-Friquency) adiquat.

Le volume du premier BMR contenant le circuit integre qui servira a deinontrer sa faisabilitk sera de nioins de 4 mm X 6 mm X 4mm. De plus, ce volume sera partage avec des composantes RF et des circuits passifs. Par consequent, la dimension respecter pour le circuit de contrble doit itre minimale.

Comme les contraintes de dimensions, de puissance consoinmee par le circuit, de flexibilitt au niveau de I’entrte des donnies et le placement de ce circuit sont critiques, I’utilisation de composants commerciaux ne sont pas possibles. II est donc approprie de concevoir I’ensemble des

0-7803-8322-2/04/$20.00 02004 IEEE. 121

Poster Session II : Applications 8 Ernmerging Technologies

circuits requis a I’UniversitC. DG a la diminution de la dimension des transistors, l’integration des circuits integres a large Pchelle est approprite lorsque la puissance est a optimiser le1 qu’en biomicrorobotique.

11. SYSTiMES Dc C O N m o L E DU BMR

Le circuit integre du BMR est base sur la conception d’un microcontr8leur conqu sur une architecture RISC de huit bits avec un decodeur Manchester pour des fins de telecommunication. Comme le signal d’entree se propage travers tin port serie, un convertisseur serieiparallele a ete implement6 pour telecharger les instructions dans la memoire du BMR sur line technologie CMOS PIX disponible a travers la Sociiri Canadienne de Miouelectronique (SCM). Le signal de sortie pour le contrde des pattes est transmis par uu port parallele de huit bits. Lors de I’operalion de programmation du BMR, l’horloge du systeme est extraite du decodeur Manchester - qui extrait son horloge partir du signal RF acquis (voir section E), - cependant, pour des fins d’experimentations, les donnees et I’horloge peuvent itre acheminees par une source externe [3], [4] et [5]. Pour le premier prototype. I’horloge sera extraite du decodeur par le meme lien inductif qui genere Ia source d’alimentation du BMR. L’utilisation d‘une architecture RISC avec un accumulateur est bien adaptee pour ce type d’application puisque la circuiterie est reduite coniparativement aux autres architectures. De plus, la vitesse de l’horloge du systtine est limitee

A. Systkme depropulsion bio-inspiri Les s y s t h e s de propulsion des microrobots sont tr+s

variables. Certaines equipes anticipent I’utilisation de champs mayktiques oscillant afin de ginerer un mouvenient au MicroRobot [6], [7]. Cette approche est excellente pour effectuer un diplacement grossier du robot mais comportes des inconvenients pour des deplacements fins. L’approche du present BMR utilise un systeme de contrijle inspire de la biologie d’un insecte a six pattes. Les travaux actuels sont divises en trois parties. La premiPre vise a trouver un moyen de propulsion original. La deuxieme partie porte sur la fabrication et la caracterisation de l‘actionneur. Elle inclue le dtveloppement d‘un nouveau procede de fabrication chimique pour realiser les micropattes du BMR. Finalement, la troisieme porte sur I’etude d’un generateiu de patron centralise autonome.

Les actionneurs ilectromecaniques (micropattes) sont composes d‘un ionomere pertluorosulfonique a &change Gions de type cationique et du platine, soil un lPMC (Ionic Polvmer Metal-Composite) Nafion-Pt. Leurs formes gPom6triques sont quasi-cylindriques ou tubulaires. Le proctdt est effectuk dans le lahoratoire du departement de chimie reserve a I’lns/ituf des MatPria71.r et des Syst?mes Intelligenrs (IMSI). La disposition des electrodes, sur le polymere, leur attribue 2.5 degres de liberte (DOF), ce qui confkre au robot 15 DOF, contrairement

lMHz pour limiter la puissance de consommation.

a uu insecte qui en possede plus de 18. Le procede de coupe des qiiatre electrodes est effecttie a I’aide d u n laser excimer du Grouppe dircous~iqiie et de vibrations de I’Universiti de Sherhrooke (GAUS) (Fig. I ) .

Fig. 1 Micropane du BMR. La plus petite division est de 0.1 mrn

Les caracterisations morphologique et micanique sont executees par la suite. La caractirisation morpbologique comprend I’analyse d‘images transversales de l’actionneur prise par microscopie Blectronique (SEM). Ces images permettent de valider la deposition du platine sur et I’interieur du ionomere. Quant a la caracterisation mecanique, elle est realisee avec un laser vibrometre du GAUS afin de mesurer les deplacements millimetriques de I’actionneur en fonction de la tension efficace generic par la PWM, des frequences imposees et du courant electrique induit dans I’LPMC.

Enfin. un systeme de contrble bio-inspire, selon les principes de deplacement d’un insecte, contenant un CPG (Central-Pattern Generator). est utilise pour effectuer le contr6le des pattes (Fig. 2).

Fig. 2

..

W k Pilote de conbsle de l a direction base sur un CPC.

L‘algorithme, code en VHDL produit un deplacement lineaire et cwviligne autonome des six pattes, selon une machine B &tats finis (MEF) de Mealy et une modulation de type PWM. L’utilisation d’une modulation de type PWM est requise car le microcontrBleur d’architecture RlSC c o n y pour cetle application ne supporte pas plusieurs niveaux de tensions a la sortie du port parallele. Puisque I’IPMC peut itre modP.lis.4

122

Poster Session i I : Applications & Emmerging Technologies

par des elements passifs c o m e les capacites et les resistances. I’utilisation de la PWM permet d‘ajuster le niveau de la tension efficace. De cette inanikre, le rapport de cycle peut contr8ler I’angle de courbure [SI. [9] et [IO].

B. S’sremmc de rommzmicnfiorz et d alin~erziaiion L‘alimsntalion autonome des BioMicroRobots (RMR)

constitue un dCfi de taille. Afin de fournir I’energie necessaire au BMR, I’utilisation d’un lien inductif base sur une bobine d‘une geometric speciale appele bobine d‘tielmholtz pilotee par un amplificateur de puissance classe E et un modulateur AM (code Manchester) est necessaire [ I ] ] . [12]. [13], [I41 et [ 151. De son cbte, le BMR posst-derait une minuscule bobine (antenne rkeptrice), et un circuit Clectronique simple de traitement du signal capable de recuperer l’energie de la porteuse (Fig. 3).

V,

P

~~

Fig. 3 Toopologie de la clas~c E avcc wi lien inductifpour I‘alimcnla1ion do BMR.

Le lien est utilise avec m e configuration dite serie-paralli.le, qui reste la meilleure quand l’objectif est d’avoir im gain de tension constant m@me avec une charge variable. La syntonisation utiliste est dite double syntonisation : elle va pemiettre d’avoir un grand rendemem de puissance, contraireinent a la de-syntonisation qui sacrifie le rendement au detriment de la stabilite [ 161.

La configuration serie utilisee au primaire s’adapte bien I I’utilisation d’un aniplificaleur de puissance classe E pour piloter le lien avec un rendement en puissance trt-s significatif. Le contr8le du BMR est assure par un simple modulateur AM, suivant les mots de commande en code Manchester. La demodulation utilise un circuit original utilisant un seul transistor et consommant une tres faible puissance.

C. Sysiime de de‘tectiun depi-oximiti Le concept general du micro-sonar repose sur la generation

d’une onde ultrasonore par un actionneur piezoelectrique. La proxiinite des objets environnants sera determinee en fonction de la phase du signal capte par un second piezoelectrique, resultant de la vibration de I’onde reflechie. Une tension de I’ordre de quelques centaines de microvolts doit Stre presente sur le recepteur afin d’Stre mesurie par les dispositifs du

microrobot. Avec la metbode des elements finis, les logiciels Atila, Patran et Nastran on( et& utilises afin de determiner une configuration optimale de I’actionneur et du capteur. En premiere approximdtion, bd biocompatibilile des materiaux a et6 negligee afin de simplifier les simulations. Ces dernii.res se sont effectikes avec un support d’acier, des electrodes d’or et un actionneur (capteur) de PZT-Sa.

Plusieurs geometries ont ete testees, dont un empilement de deux couches piezoelectriques alteniees par trois electrodes. Avec des membranes piezoelectriques de 500 x 300 x I5 microns, la resonance se situait toujours autour de 2 MHz. L’optimisation de cette approche a demontri qu’une resonance B environ 200 kHz etait possible avec des dimensions de 30 x 500 x 5,j microns. Cette configuration, prometteuse, a donc ete conservie pour les recherches ulterieures. L’etape de la simulation du rayonnement des ondes dans I’eau est en cows afin de diterminer la configuration optiinale [2].

111. PROCeD6 DE FABRICATION TRLDIMENSIONNELLE Dti BMR

La diffircultt majeure des BMR est de concevoir une stnicture tridimensionnelle. Plusieurs approches son1 actuellement en cours pour etablir un nioyen de joindre Ies actionneurs tubulaires ou en fibres (quasi-cylindrique) et le niicrocontraleur B la structure du BMR. La inethode envisagee consiste B fabriquer les micropattes independammen1 du reste de la stnicture du robot a l’aide d’un procede decrit i la section 2.A. La difficulte de cette methode est de coller les pattes SUI le corps du BMR sans secher le IPMC au contact de ]’air. Ce problt-me est actuellement sous investigation.

Le corps du robot peut Ctre realise avec plusieurs types de materiaux comme la ceramique et le Nafion. Le premier qui est investigue dans ces travaux de recherche est la ceramique d’alumine. Elle offre plusieurs avantages en ce qui concerne sa manipulation et la realisation des liens electriques. D’ailleurs. il est possible d’y deposer du platine par evaporation E-beam et de fabriquer les liens electriques avec le laser excimer. Une mtthode simple utilise plusieurs couches de lainelles de ceramique pow fabriquer le corps du BMR. Des trow rectangulaires peuvent etre realises dans les premieres lamelles du materiel pour y insdrer le microcontrBleur. Les autres couches inferieures serviraient au support des micropattes et des liens klectriques.

1V. COMMANDE D’UN BMR AVEC LA LOGIQUE FLOUE

Plusieurs elements son1 a considerer lors du choix d’une technique de commande. Dans notre cas, les principaux sont la limitation de la taille du circuit et I’intdgration de plusieurs niveaux de raisonnement. Ces raisonnenlents peuvent etre reactif (modifier la trajectoire) et deliberatif (planification). Considerant ces elements, la technique de la logique floue est un choix justifie: car il est possible de conserver un code limit6 pour le contr6le et une taille de memoire compacte 1171. L’arcbitecture floue 6tudiee privilegie m e approche

123

Posler Session II : Applications 8 Emmerging Technologies

comportementale hybride. Les comportenients sont a.iiistes en temps reel par

I'utilisation de poids relatifs variant dynamiquement selon les entrees du syst6me. Comme la taille du circuit est critique pour un microrobot, il est imptratif de diminuer autant que possible le nombre de regles de logiqiie tout en s'assurant que le inodele puisse rencontrer les objectifs predefinis. Ainsi, a la liniite, le nombre de rPgles suit I'equation RI" oh 11 est le nombre de variables et m le nombre de temies. C'est pourquoi, des l'etape de conception du modele, i l faut regarder les alternatives pour diminuer le nombre de regles [18]. Aussi. il faut s'assurer de bien definir les tdches que le robot doit accomplir afin de choisir la bonne architecture [ 191.

Concernant Ies differentes approches en logique floue, celle apportee par Brooks qui consiste a utiliser une architecture par comportements. oii ceux-ci fonctionnent en parallde, est robuste [20], [21]. Celle-ci a permis la conception de plusieurs robots au cows des annees subsequenles. Cependant, dans son approche des niveaux hierarchiques, celui-ci preconise un

RENCES

X. Chaillet. La mimorabotique. un i m u ~ e a ~ champ #investigation pour I8 robotique. Jbrrtonairix~. p.31-36. f & 1999. M. Otis, M. J a v . M:E. Gossclin. R . Fontainc, P. Masson, Cmcepnon er .lhbhrlcatiorr d'un ,aio.orubor ovrc des iononier-es perfiuoi.uia!/"niqi,~.s d &'change d'ium, 2'"' callaque dc I'IMSI. Universit6 de Sherbrookc. Canada, Shcrhrookc, 2002. M. Jaw, M. Otis. H. Scmmauui. G. Hacht, R. Funlaine. "Corc Conlrol Circuit for Submilli~lerRobot," TIE 2Jrh Silver Antriversor? lnle,nalionol Confir-encr qf rhe IEEE EngOzwing in Medicine ond Bioloa, Socien: p.3427-3430, Cancun, Mcrico. scpt. 2003.

[4] M. Jan)., M. Otis. H . Scmmaoui, R. Fonlainc. "Micrucontrollcr arcllitecmre for I)iifonomous RioMicroRabots Displacement Control." MEWC.4S '2003 proceeding, Re.%bfiQ',~ ,firrr iVoorthea.sr iIbrkrhop on Circuits mdS~~srerns, p. 73-76, MontrCal, Canada, juin 2003. M. Jaw, Concepliori d'sn nricr-ocontidlew u w c lu teclznologi~~ CMOS PIS pour un Bio.bikr?~Robor. mimoire de maiinrc, Univcnite de Shcrbrookc, Shcrbrookc, Canada, 2001. K. lshiyama. M. Sendoh. A . Yamazaki, K. I. Aeai, "Swimming micro- machinc divcn by magnetic torque, '' Pro(.. "/ the 3rd Oiroprrrn Cur!/erence V I I Mopieric Sen.surs nndAcruaiorr. vol. 91 -no. 1-2, p. 141- 144; juin 2001 J-B. Mathieu et al., "MRI Systems as a Mcan of Propulsion for a Microdevice in Blood Vessels", Proc. EB4BS, p. 3419-3422, Cancun,

111

[2]

[3]

151

[6]

171

modele sans representation qui stipule que le monde est a son Mcxieo. Scpl. 2003. M. Otis et al., "Development of m Hexapod UioMicroRobol with Nation-Pt IPMC Microlegs," Proc. EMBS. p. 3423-3426, Cnncun.

181 meilleur modde [21]. Cette approcbe n'est pas applicable considirant la Mexico, scpl. 2003.

complexite de I'environnement du BMR. Une evolution de l'approche de Brooks est une approche hybride developpi par Saffiotti, dont la couche superieure comprend m e modelisation de I'environnement et tine planification de la tiche accomplir; alors que la couche infirieure inclut les comportements a suivre par le microrobot [Z]. Ainsi, le niveau superieur comprenant les modules de planification et de modelisation ne seront pas incorpores a m@me le BMR. 11s seront plutBt relies par I'intermediaire du lien RF dans le but de diminuer la taille du circuit qui sera integre au robot.

V. COXCLUSION Cet article presente une avenue possible pour la conception

et le diveloppement complet d'un BioMicroRobot dedit des applications midicales. Entre autres, un circuit intege incluant un decodeur Manchester. un convertisseur serieioarallile et un

191 M. Otis. hl. Jan).. K. Rcmier. R. Fontaine, H . Menard, P. Masson. "3D Modelization of an hexapod BioMicroRobot propulsion system with IPMC actllators," NEWCAS '2003 pmcceding, ReShliQ!~ f i n r Norrhemr Mrkshup mi Circnirs ond Svsrems, p. 65-68. MontrCal, Canada. juin 2003.

[ IO] M Otis, Divelopen~nr d'un )-it&ne de pwpulsion p o w "11

BioMicroRoboi Heropodc, OI'L'C un ioimmere pe~/1~40rosul/bniquc, mCmaire de maitnse, Universite de Sherbrookc, Shcrbrookc, Canada, 2004.

[Ill N. 0. Sokal, A. D. Sokal, "Ciass E-A Ncw Class of High-Efiicicnry Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers." 1 Solid-Srure Circuir,voi. SC-IO, no 3, p. 168.176, 1975.

[ 121 F. H. Raab. "ldculiscd Opcrafion of the Class E Tumd Powcr Amplifier," IEEE Transactions on Circuir and Sysrrms, Vo1,Caa-24, no 12. p.725- 735.1977.

[I31 F. H. Raab, "Effects of Variation on the Class E Tuned Power Amplitier,"lEEE Tronsacrionr on Circuir andSwens. V d S c -16, nu 2, p.239-247, 1978.

[ 141 S. C. Ripps, RF Amplifier f ir Wirelerr Communicorinn, Anech House. London. p.337, 1999.

[ I S ] A. Mihai, W P u w r AmpliJicrs, Noble Publishing Carpontian. Atlanta, 366 p.. 2001

[I61 D. C. Galbraith, R. L. Soma, "A widc-band Efficient Inductive microcontrBleur pour un BMR est revu. Ce circuit reqoit et traitr l'algorithme de contrBle pour le diplacement des six T n n d m a l Powcr and Data Link with Coupling liiscnsilivc Gain,"IEEE microoattes du BMR. L'architecture RlSC Dour le on Biomedical enpineering, Stand ford, Vol. RME-34, no 4, p.266-275.

awil 1987. [17} E. Tunstel, M. Olivein, S. Bergan, "Fuuy Bchavior Hicrarchics for

Multi-Robot ConUol," lntrmotiunol Juurnol of ln te l l i~mt Svstmw. vol. 17, p. 449470.2002.

[I81 V. Torra, "A Rcvicw of the Canstmetian of Hierarchical Fuuy Syicma," lnrernarional Journal uflnrelligei~r Svslen#i. vol. 17, p.53 1-543,2002,

119] ". Ya\.uz, A. ~ ~ d s h ~ ~ , -A N~~ conceptual Approach to the ~~~i~~ of Hybnd Conrrol Architechlrc for Autonomous Mabilc Robots, '' Jounial ~ f h r e l l i g e n t andRoboric Systems, 34, p.l-26,2002.

1201 R:A. Brooks, .'A Robust Laycrcd Control System for a Mobile Robot," M.l. T. Art$cid lnlelligence l,aboraron., p. 1-25. scptember 1985.

lntelligencr, vol. 47,p.139-159, 1991.

Navigation,"S"fr Compuring, vol. 1, p.180-197. 1997.

microcontr6leur a & t i choisie pour la flexibilitt de sa programmation, la consommation r i d i t e en puissance et ses dimensions d'implementations. Le BMR autonome necessite un lien inductif (m) pour les te~&communications, pour son

serieiparallele est utilisee lors des telecommunications et pour le chargement de la SRAM. Findlernent, l'utilisation Tune machine etats finis et de la PWM pour actio,,,,er les micropattes permettent de diplacer le BMR dans toutes les [211 R.-A. Brooks, -intciiigencc without Rcprcsenatiun: ~rrificiai directions de la mime maniere qu'un insecte a six pattes.

alimentation et pour son horloge interne. conversion

[22] A. Saffiotti, "The User of Fuzzy Logic in Autonomow Robot

124