Modélisation et contrôle optimal de micro-nageurs magnétiques
Institution:
Université Côte d'AzurDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Robotic micro-swimmers are able to perform small-scale operations such astargeted drug delivery, and minimally invasive medical diagnosis and surgery.However, efficient actuation of these robots becomes more challenging as their size decreases. Hence, wireless actuation is preferable over built-in actuation sources, one of the most popular strategies is the magnetization of parts of the swimmer and its actuation with an external magnetic field. In this thesis, we focus on flexible magnetic micro-swimmers that are similar to spermatozoa in their design and flagellar propulsion. Our goal is to use numerical modeling and optimal control tools to improve the performance of existing swimmers made at the ISIR laboratory (Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique) and to propose a numerical control design method for experimental flexible micro-swimmers.Firstly, a simplified 3D dynamic model of a flexible swimmer has been developed, based on the approximation of hydrodynamic forces and the discretization of the curvature and elasticity of the tail of the swimmer. By fitting the hydrodynamic and elastic parameters of our model accordingly, we are able to obtain propulsion characteristics (mainly the frequency response of the swimmer) close to those experimentally measured. Secondly, we numerically solve the optimal control problem of finding the actuating magnetic fields that maximize the propulsion speed of the experimental swimmer under constraints on the control that reflect the constraints physically imposed on the magnetic field. The optimal magnetic fields found via numerical optimization are then implemented in the ISIR experimental setup in order to benchmark the experimental performance of the computed controls and the ability of the model to predict the trajectories of the experimental swimmer.
Abstract FR:
Les micro-nageurs robotiques permettent d'effectuer des opérations à petite échelle telles que l'administration ciblée de médicaments et la chirurgie peu invasive. En raison de la difficulté de miniaturiser des sources d'énergie internes, les méthodes d'actionnement externes sont préférables aux sources intégrées, une stratégie populaire étant l'aimantation du nageur ou d'une de ses parties et son actionnement avec des champs magnétiques externes. L'étude qui suit se concentre sur les micro-nageurs magnétiques flexibles qui imitent les cellules flagellées commeles spermatozoïdes dans leur conception et leur mode de locomotion. Le but decette thèse est d'appliquer des outils numériques de modélisation et de contrôle optimal aux nageurs expérimentaux de l'Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique (ISIR) afin d’améliorer leur contrôle et de fournir une méthode numérique pour la conception de commandes pour les micro-nageurs flexibles. La première étape de cette thèse a été le développement d'un modèle dynamique simplifié d'un nageur magnétique flexible en trois dimensions, basé sur une approximation des forces hydrodynamiques et sur la discrétisation de la courbure et de l'élasticité du flagelle. Une identification des paramètres hydrodynamiques et élastiques du modèle permet d'avoir un nageur simulé qui présente les mêmes caractéristiques de propulsion (notamment la réponse fréquentielle du nageur) que celles mesurées expérimentalement. La seconde étape a été d'utiliser le modèle développé pour la résolution numérique du problème de contrôle optimal consistant à de trouver le champ magnétique qui maximise la vitesse de propulsion du nageur sous des contraintes sur la commande reflétant les contraintes physiquement imposées au champ magnétique. La dernière étape a été l'implémentation des champ magnétiques calculés dans le dispositif expérimental de l'ISIR et l'étude de leur performances expérimentales ainsi que de la capacité du modèle à prédire la trajectoire du nageur.