Projets

  • Systèmes tactiles résonnants

Nos travaux sur la perception tactile digitale humaine ont permis d’identifier les paramètres mécaniques pertinents [1-3] dont dépend la fonction de transfert texture/stimulus mécanique. Ces expériences ont été menées dans des régimes de frottement quasi-statiques, caractérisés par des fréquences de modulation des contraintes de plusieurs ordres de grandeur inférieurs aux fréquences de résonance de l’organe tactile.
Nous essayons maintenant de comprendre comment les propriétés de transduction peuvent être modifiées lorsque ces deux fréquences caractéristiques deviennent proches, chez l'humain et depuis peu chez les rongeurs qui utilisent leurs moustaches faciales (vibrisses) pour appréhender tactilement leur environnement immédiat.

  1. L’organe tactile humain (le derme) peut être décrit comme une membrane élastique faiblement tendue et associée à des tissus mous. Il a été récemment démontré que lors de l’exploration de surfaces texturées, la peau présente des vibrations dont le spectre est dominé par les fréquences de ses modes propres de résonance [4]. Les déflections de la surface de la peau se propagent sur des distances de l’ordre de la taille du doigt. Ce mécanisme rendrait possible une transduction neuronale de l’information par des mécanorécepteurs situés loin de la zone de stimulation dont les caractéristiques spectrales sont proches des modes mécaniques de la peau.
  2. Les rongeurs constituent un modèle animal très étudié en neurosciences pour comprendre le traitement de l’information sensorielle. Ce sont des mammifères essentiellement aveugles, qui utilisent leurs longues vibrisses faciales pour se localiser [5], détecter les formes [6] et les textures [7] des objets environnants. Le contact entre une vibrisse et une surface induit des ondes de déformation qui se propagent jusqu’à la base de la vibrisse et sollicitent la réponse de mécano-récepteurs présents dans le follicule. De par sa forme allongée, la vibrisse du rat se comporte comme un oscillateur amorti, agissant comme un filtre passe-bande dont la fréquence caractéristique est définie par la géométrie de la vibrisse [8], suggérant un mécanisme de décomposition spectrale de l’information tactile. Cependant, de récentes études indiquent que dans une majorité de situations d’exploration, la dynamique de la vibrisse est dominée par des événements de "stick-slip" dont l’amplitude et la fréquence dépendent de la topographie du substrat et des conditions d’exploration [9]. Ces observations suggèrent un mécanisme de codage de l’information tactile alternatif, contenu dans la séquence temporelle des décrochements successifs de la vibrisse. L’avantage d’utiliser une approche biomimétique réside dans le contrôle des propriétés géométriques et mécaniques de l’organe tactile. Cela permettra d’ajuster finement ses caractéristiques de résonance mécanique, tout en offrant un contrôle optimal des conditions d’exploration (vitesse et pression appliquées).

Dans ce projet, nous développons deux systèmes biomimétiques mécaniquement résonnants, dont les déformations sont respectivement restreintes à une et deux dimensions. Le premier, biomimétique d’une vibrisse de rat, consiste en une tige élastique conique montée sur un capteur de force. Le second, biomimétique du doigt, est constitué d’une membrane élastique circulaire tendue (Fig.1).

Figure 1 : (a) Schéma de principe du dispositif membrane. (b) Vibrisse artificielle.

Nous cherchons à mesurer à l’aide de méthodes optiques les déformations induites lors du frottement de ces objets contre des substrats modèles dans des conditions d’exploration réalistes, i.e. à des vitesses et des pressions d’application naturelles. On essaye en particulier d'établir comment les modes propres de vibration de l’organe tactile se couplent à la réponse mécanique pour produire un filtrage de l’information tactile. De plus, ces deux systèmes 1D/2D étant complémentaires, leur comparaison directe permet d’espérer mettre à jour des stratégies d’amplification et de codage de l’information tactile équivalentes dans les deux système tactiles (humain et rongeur).

  • Frottement d’interfaces micro-texturées modèles

Le second axe de recherche concerne la physique du frottement d’un point de vue fondamental. Il s’agit d’étudier les dynamiques collectives de micro-aspérités au sein d’interfaces multi-contacts modèles, en régime de frottement. Nous souhaitons établir le lien entre l’approche micro-mécanique (à l’échelle d’une micro-aspérité) et l’approche statistique (à l’échelle du contact apparent macroscopique). Les aspérités, de taille typique 10 à 100 µm, sont réalisées par moulage d’un élastomère de PDMS contre un moule obtenu par micro-fraisage. Le LJP a acquis une micro-fraise, permettant de réaliser très facilement des aspérités cylindriques ou sphériques (fraise simple ou boule). Il est ainsi possible de faire varier la distribution spatiale et de hauteur des aspérités pour obtenir des réseaux réguliers ou aléatoires de quelques milliers d’aspérités sur 1 cm2 (Fig. 2).

Figure 2 : (a) Calottes sphériques distribuées aléatoirement sur la surface d'un bloc de PDMS. Les hauteurs des calottes sont également distribuées aléatoirement. Ce substrat est mis en contact avec une surface de verre lisse. Les micro-contacts qui en résultent sont les disques blancs. (b) Zoom de la zone délimitée par le rectangle hâchuré rouge. (c) Détail d'un micro-contact de rayon ai .

Nous cherchons à faire le lien entre le comportement macroscopique lors de la mise en glissement et en régime de frottement permanent à la dynamique locale des aspérités. Les forces normales sur chaque aspérité sont déduites de mesures d’intensité, et leurs déplacements sont obtenus en utilisant des méthodes de tracking [10]. Les substrats solides en regard sont lisses dans un premier temps. On cherchera ensuite à perturber localement la dynamique des aspérités en utilisant des substrats aux propriétés de surface hétérogènes sur des échelles de taille sub-micrométrique (techniques sol-gel, collaboration A. Chateauminois du Laboratoire PPMD de l’ESPCI et E. Barthel du Laboratoire SVI Saint-Gobain Recherche) à micrométrique. Nous étudions les modifications induites quand on varie le couplage entre aspérités (via leur densité surfacique) ou l’épaisseur du bloc élastomère dont elles sont solidaires.
Au-delà des enjeux propres à la mécanique du contact élastomère/verre, ce type d’interface pourrait guider la conception de surfaces aux propriétés de frottement contrôlées.

Références

[1] J. Scheibert et al. Science, 323(5920):1503–1506, 2009.

[2] R. Candelier et al. Sensors, 11(8) :7934–7953, 2011.

[3] E. Wandersman et al. Physical Review Letters, 107(16):164301, 2011.

[4] L. R. Manfredi et al. PLoS ONE, 7 :e31203, 2012.

[5] D. H. O’Connor et al. The Journal of Neuroscience, 30(5) :1947–1967, 2010.

[6] D. B. Polley et al. Neurobiol Learn. Mem, 83(2) :134, 2005.

[7] T. Morita et al. PLoS ONE, 6 :e20437, 2011.

[8] M. A. Neimark et al. The Journal of Neuroscience, 23(16) :6499–6509, 2003.

[9] J. Wolfe et al. PLoS Biol, 6(8) :e215, 2008.

[10] A. Prevost et al. Physical Review Letters, 89(8):084301, 2002.