Literatura científica selecionada sobre o tema "Matériaux et conception de robots souples"

Ce projet s’inspire de travaux publiés sur la cognition animale dans lesquels un véhicule autonome est piloté par un poisson rouge. La conception et la réalisation du véhicule requièrent des connaissances et compétences pluridisciplinaires en électronique, informatique et mécanique qui font partie du socle des acquis de futurs ingénieurs dans le domaine de l’Électronique Énergie Électrique et Automatique, EEEA. Le projet a été proposé à des étudiants de niveau bac+5, inscrits dans la branche Automatique et Informatique Industrielle, A2I de l’UTT opérée à l’URCA en convention avec l’UTT et en 2e année de Master EEEA, parcours Mécatronique de l’EiSINe, composante de l’URCA. Les étudiants ont abordé la conception complète du robot : le dimensionnement, le choix des matériaux et des équipements, le traitement du flux de données, la commande des parties opératives en temps réel… L’avis des étudiants est que le projet leur a plu de par sa polyvalence et sa diversité. Il allie concrètement des parties mécanique, électronique et logicielle. Il prend en compte des aspects de sécurité des robots et s’inscrit dans le cadre plus général d’une application.

L'existence humaine est pleinement enchâssée dans l'environnement naturel ; les êtres humains ont une relation innée avec les êtres vivants et les éléments de la nature. Dans les domaines de l'art, du design et de l'architecture, cette relation est exprimée par le concept transhistorique de biomorphisme, par référence à une préférence ou un intérêt pour des formes organiques, inspirées du vivant, qui évoquent la nature ou des organismes naturels. Cette zoom.able présente des recherches qui appréhendent le biomorphisme souple, dans le domaine du design, comme une alternative au paradigme de la robotique souple (c'est-à-dire des robots fabriqués à partir de matériaux pliables et élastiques). Les travaux ayant porté jusqu'ici sur la robotique souple ont pour la plupart été menés dans le cadre des sciences techniques, et se sont surtout intéressés à l'amélioration des capacités des robots en imitant la physiologie et les opératiques mécaniques des organismes naturels souples. Le biomorphisme souple cherche à établir une perspective différente, contribuant à redéfinir les champs d'intérêt de ce domaine d'étude. La notion de biomorphisme souple est basée sur un principe simple : interroger ce qui se passe lorsque l'esthétique intrinsèquement organique des robots souples est soulignée et amplifiée par l'incorporation de formes, couleurs, textures et structures qui trouvent leur inspiration dans le monde biologique. Le biomorphisme souple se distingue d'autres approches de design bio-inspiré utilisées en robotique, car il s'écarte de la reproduction exacte des caractéristiques morphologiques d'un organisme donné pour favoriser les similarités avec des organismes naturels, qu'elles soient d'ordre strictement idiosyncratique ou plus généralement visuel et haptique. Au lieu de chercher à duper la confiance des utilisateur.ices en faisant passer un robot pour vrai, les éléments biomorphiques sont pensés de sorte à être incorporés pour cultiver la relation et l'empathie entre êtres humains et machines. En prenant l'apparence de la vie même sans pour autant paraître familiers, les robots conçus selon les principes du biomorphisme souple peuvent contribuer à rendre la relation humain-robot davantage plurielle et négociable, sans pour autant la modeler sur les interactions d'humain à humain ou avec certains animaux, y compris de compagnie. Les motivations artistiques qui sous-tendent le biomorphisme souple sont également marquées par une réflexion critique sur les frontières entre la nature, la technologie, leurs usages et leurs portées culturelles. Fondés sur la pratique, ces travaux réunissent des approches issues de nos ancrages disciplinaires respectifs dans les domaines de la robotique souple, du génie mécanique, de l'interaction humain-robot, de la pratique artistique et de la recherche en design. Nous avons d'abord cherché à appréhender et appliquer le biomorphisme souple à travers l'élaboration d'une série de prototypes matériels et d'objets comportementaux mis en action. Les potentialités d'interaction de ces prototypes biomorphiques souples ont été ensuite interrogées dans le cadre d'une étude physique des interactions humain-robot (Christiansen et al., 2024). Cette zoom.able s'intéresse en particulier à la manière dont la matérialité souple et le caractère biomorphologique des prototypes peuvent s'affirmer comme un terrain propice à la perception sensorielle, à d'éventuelles sensations corporelles et à différents types de savoir incarné. Si le mouvement, la sensation et la cognition artificielle font partie intégrante de la robotique et, plus largement, de son esthétique, nos travaux cherchent cependant à saisir dans quelle mesure les matériaux souples sont capables de générer leurs propres formes et relations lorsqu'ils sont intégrés à cette technologie. Enfin, nous analysons l'esthétique des robots issus du biomorphisme souple en alimentant un logiciel de génération d'image par IA avec les photographies de nos prototypes matériels et les descriptions textuelles des sources qui les ont inspirés du point de vue biomorphique. Les sorties machine qui en résultent, présentées sur la dernière couche de la zoom.able, évoquent des relations prises dans l'écheveau du vivant et mettent en question, dans une démarche autoréflexive, la réification et la remédiation des qualités biomorphiques au sein de l'espace virtuel latent de la culture visuelle globale.

Exo-Biote est une œuvre de l'artiste Jonathan Pêpe réalisée à partir de 2014 au Fresnoy, Studio national des arts contemporains, à Tourcoing, en collaboration avec l'équipe DEFROST (Deformable Robotic Software) de l'INRIA (Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique) et de Cristal (Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille), une équipe dirigée par Christian Duriez. Fruit d'une rencontre entre cet artiste et ce scientifique, cette œuvre a permis d'interroger leur discipline respective autant que de faire évoluer leurs pratiques et cela en participant au développement de la « Soft Robotics », autrement dit, de la robotique « déformable ». Alors que l'équipe DEFROST investissait le champ des machines d'assistance médicale, l'artiste commence à imaginer une vie prothétique futuriste pour son œuvre, un robot qui sera composé de matériaux souples. Pour sa réalisation sont alors convoquées des pratiques de moulage bien connues en art, moins en sciences, en particulier dans le domaine des technologies numériques. Ce projet stimulera ainsi des réflexions en croisant les pratiques et les points de vue, entre arts et sciences. Pour en rendre compte, Jean-Jacques Gay ─ commissaire et critique d'art engagé de longue date auprès des tenants de ces approches pluridisciplinaires ─ s'est alors proposé d'agir en révélateur de cette expérience singulière. Au cœur du projet et de cette robotique particulière : les stratégies de contrôle de ces objets déformables. En effet, les robots traditionnels sont réalisés essentiellement avec des pièces dures et articulées qui permettent de les régir suivant une géométrie rigoureuse, précise, calculable et anticipable. Désormais, comment la vie machinique de ces robots « mous » peut-elle être repensée, remettant en cause les différents paradigmes du contrôle robotique pour laisser place à un « contrôle relatif » ? La vie prothétique envisagée par l'artiste stimule cette façon de penser et de faire et offre un champ d'expérimentation aussi concret qu'original. Ainsi, le sculpteur et le chercheur envisagent-ils conjointement un design des objets par l'intérieur, pour gérer la déformation de ces derniers dont l'activité dépendra du souffle d'un compresseur. Ainsi animés à la faveur d'un « pneuma » ─ rappelant le mythe du souffle vital que les stoïciens empruntent déjà au vocabulaire de la biologie (Muller 2006) ─, ces objets deviennent des organes ou morceaux de corps déformables et réparables à façon. Ce pneuma rejoint l'Énergie cybernétique décrite par Nicolas Schöffer comme « la prise de conscience du processus vital qui maintient en équilibre l'ensemble des phénomènes » d'un biotope. Chez le scientifique comme chez le sculpteur, la robotique déformable, pneumatique, met en œuvre un souffle qui apporte contrôle et maintient l'équilibre vital. Vital pour la sculpture, vital pour la médecine, vital pour l'art et le design au sein d'une organogenèse définie à la fois comme « genèse de l'artefact et genèse des organes sociaux et psychosomatiques par la reconstitution du milieu techno-esthétique » (Stiegler 2015). Huit ans après leur première collaboration sur Exo-Biote, l'artiste et le chercheur reviennent ici sur le design des objets qu'ils fabriquent pour mettre en œuvre ce pneuma dans leurs pratiques respectives. Devenues plus communes, ces pratiques s'enchevêtrent, rejoignant les réflexions sur l'hybridation de la théoricienne, physicienne et féministe américaine Karen Barad. Dès 2005, cette dernière remettait en question « le caractère donné des catégories différentielles d'“humain” et de “non-humain”, en examinant les pratiques par lesquelles ces frontières différentielles sont “stabilisées et déstabilisées” ». Depuis Exo-Biote, avec leurs robots souples, déformables, l'artiste et le chercheur cultivent des formes alternatives de contrôle, voire de non-contrôle, qui rendent manifeste la déstabilisation de ces frontières sujet/objet. Cette remise en question de la notion de contrôle autonomise leurs machines et nourrit des formes de vie que l'artiste et le scientifique cherchent à mettre en œuvre en précurseurs.

Dans le cadre d'une thèse et d'un projet de recherche pluridisciplinaire visant à renforcer le lien entre les membres d'un couple de jeunes retraités, nous avons imaginé et conçu Yōkobo, un robot à la croisée d'une approche sensible et d'une orientation de la robotique qui fait le pont entre les humains (domaine des Interactions Homme-Robot-Homme). Par ses inspirations, il est théoriquement relié aux concepts d'objet à comportement, de robjet, de robotique faible et de « technologie lente ». Yōkobo est un vide-poche placé à l'entrée des maisons. Il exprime l'hospitalité de celles-ci et célèbre les petits moments de la vie quotidienne par sa présence discrète qui accueille les visiteurs et les habitants de la maison. Son nom vient de la contraction du mot japonais «yōkoso » (« bienvenue » en français) et du mot « robot ». En plus de ces fonctions, Yōkobo rend compte de l'état de la maison à l'aide de données provenant d'appareils IoT connectés (Internet des objets) en combinant divers paramètres (tels que la température, la qualité de l'air, etc.) pour refléter, au travers de ses mouvements, « l'atmosphère » de la maison. Enfin, utilisé en association avec des clés de maison, Yōkobo peut révéler une trace, un message basé sur le mouvement. Où l'empreinte est une réminiscence du passage du compagnon. Yōkobo est résolument innovant et perturbant. Il est en décalage avec la vision généralement partagée des robots : C'est un objet qui se veut discret, issu de l'informatique ambiante tout en ayant une présence subtile permanente. Il n'émet pas de sons, contrairement aux assistants vocaux et à la tendance à l'usage de la modalité vocale. Il exprime son environnement uniquement par le mouvement et la lumière. Pour s'éloigner des robots-compagnons de maison et des préjugés qu'ils peuvent générer en arborant une représentation faciale, Yōkobo n'a pas une forme anthropomorphique et ne parle pas. Yōkobo est fabriqué à partir de matériaux naturels tels que la céramique, le bois ou la laine afin de rompre avec l'idée du robot en plastique jetable et du jouet, et pour améliorer son intégration dans le quotidien de la maison. En tant que produit issu de la « technologie lente », comprendre et intégrer Yōkobo dans sa vie prend du temps et nécessite d'accepter de ne pas avoir une réponse instantanée, claire et répétitive en réponse à une action. Son apport ne se mesure pas en termes d'efficacité et d'utilité. C'est la somme des différentes expériences avec le produit au fil du temps qui donne du sens et de la valeur à celui-ci. Apprendre à connaître les mouvements expressifs de Yōkobo est un processus continu et progressif. Yōkobo est un objet qui se comprend par la perception et touche la sensibilité poétique de chacun. Yōkobo est un concept qui place l'humain en son centre. C'est un objet qui met en avant la relation entre les personnes. Il n'a pas pour but de s'imposer et ne vise pas une relation exclusive homme-objet. Il révèle la présence de l'autre à travers la trace éphémère de son passage. C'est un objet à présence sensible. Ce travail est le résultat d'une recherche interdisciplinaire entre roboticien.nes, designers et ergonomes. La navigation (directions et superposition) de ce pan.able montre les processus de conception et d'ingénierie, ainsi que les modalités d'interaction de Yōkobo.

Ce travail de thèse propose une approche intégrée pour le développement de doigts pneumatiques en silicone destinés à la manipulation dextre. Basée sur une démarche comparative entre l'expérimentation et la prédiction numérique, l'identification des modèles de comportement du silicone permet de prédire le comportement du doigt pneumatique. La conception de celui-ci est alors guidée par simulation, avec pour objectif de réduire la dépendance du comportement du doigt à l'effet Mullins. La méthode de fabrication retenue, l'injection basse pression, permet la mise en place d'un processus de fabrication robuste par surmoulage des renforts rigides et de la base du doigt. La conception du doigt et de l'outillage est définie de manière à permettre la production de l'assemblage complet en une unique étape d'injection
This thesis proposes an integrated approach to the design of pneumatic silicone fingers for dexterous manipulation. Based on a comparative approach between experimentation and numerical prediction, the identification of silicone behavioral models allows the prediction of pneumatic finger behavior. The design is then guided by simulation with the aim of reducing the finger's dependence on the Mullins effect. The chosen manufacturing method, low-pressure injection molding, allows a robust overmolding process for the rigid reinforcements and the base of the finger. The finger and tooling are designed to enable production of the complete assembly in a single injection step

Ce travail de thèse porte sur la conception de robots souples pneumatiques, pour lesquels la mise en mouvement par déformation est produite via des chambres pneumatiques. Nous contribuons à l'obtention d'un robot depuis la formulation du besoin jusqu'à la fabrication du robot. Ainsi, nous abordons les problématiques associées à la conception et la fabrication de ces robots. Pour la conception, nous proposons un algorithme génétique dont le fonctionnement est accéléré par l'usage d'un modèle d'IA permettant l'estimation rapide des comportements de nouvelles géométries et la recherche de solution. Pour la fabrication, nous proposons une plateforme instrumentée de fabrication additive de silicone permettant l'acquisition de nuages de points sur la couche produite. Des indicateurs sont alors proposés pour suivre la production en cours et l'intégrité de robots souples, et ces indicateurs sont évalués expérimentalement
This thesis covers the design of pneumatic soft robots, which move thanks to deformation using pneumatic chambers. We contribute to the design of a robot from the formulation of the need to the manufacturing of the robot. We address the problems associated with the design and manufacture of these robots. For design, we propose a genetic algorithm accelerated by the use of an AI model enabling rapid estimation of the behavior of new geometries and the search for solutions. For manufacturing, we propose an instrumented silicone additive manufacturing platform enabling the acquisition of point clouds on each produced layer. Indicators are then proposed to monitor ongoing production and the integrity of soft robots, and these indicators are evaluated experimentally

Parmi les différents systèmes de transfert d'énergie, les caloducs sont considérés les plus efficaces car ils se distinguent par leur efficacité de transfert sous un faible gradient de température. Ils présentent d'autres avantages tels que la compacité, l'absence d'entretien et une conductance thermique élevée. Les qualités des caloducs ont été utilisées pour la maîtrise de température et l'évacuation de chaleur dans des dispositifs sensibles tels que les satellites ou les microprocesseurs. D'autres applications des caloducs n'étaient pas possibles jusqu'à maintenant car certains systèmes énergétiques présentent un cahier des charges strict: souplesse des composants, légèreté, coûts. Le confort thermique est un domaine où le potentiel d'utilisation des caloducs est très élevé. Ce mémoire présente la conception de caloducs souples à eau et deux applications liées au confort thermique. Deux brevets ARMINES, déposés en 1995 et en 1998, sont à l'origine de ces travaux. Un programme informatique, nommé CALCUL, a été développé. Deux bancs d'essais ont été réalisés, un pour la qualification des chaussures équipées de caloducs et un autre pour le rafraîchissement de l'habitacle automobile. Un démonstrateur a également été conçu au Centre d'Energétique pour une étude systématique de la maîtrise de température de paroi par panneau caloduc dans un habitacle automobile.

Cette thèse vise à apporter une contribution à la modélisation des structures tissées. Son originalité réside dans la prise en compte des non linéarités du système modélisé. Contrairement à de nombreux travaux considérant le tissu comme une surface élastique déformable, nous proposons un modèle de tissu représenté par l'assemblage tridimensionnel de fils. Cette approche mésoscopique permet de traiter le problème à l'échelle des fils en agrégeant leurs interactions et leurs propriétés mécaniques non linéaires. Par ce concept, il est possible de modéliser le comportement mécanique des matériaux flexibles complexes. Pour cela, il est impératif de développer de manière plus approfondie l'interactivité entre les fils de chaîne et de trame au point de croisure. Un modèle de fil a été élaboré prenant en compte les protocoles de mesure des propriétés de celui-ci. Ces protocoles donnent accès séparément aux caractéristiques mécaniques telles que la traction et la flexion (quasi-statiques). L'étude précédemment développée dans un domaine linéaire est étendue au domaine non linéaire. Ce dernier est caractérisé par l'apparition d'hystérésis. Une analyse détaillée du comportement du fil nous amène à traiter le problème à l'aide des caractéristiques rhéologiques, et plus particulièrement au travers de frottement sec. La description géométrique d'une structure tissée et l'agrégation des sous-modèles de comportement du fil nous conduit au modèle de tissu. Une étude approfondie des méthodes numériques permet d'optimiser la convergence des algorithmes de calcul de la simulation. Enfin, une phase de validation est effectuée à partir des tests issus de la chaîne de Kawabata. Les appareils de mesure KES-FB1 (traction et cisaillement) et KES-FB2 (flexion) sont utilisés car ils fournissent les paramètres mécaniques caractérisant le tissu de manière appropriée.

Les robots souples pourraient permettre une interaction homme-robot intrinsèquement sécuritaire car ils sont fabriqués de matériaux déformables. Les capteurs de mouvement adaptés aux robots souples doivent être compatibles avec les mécanismes déformables comportant plusieurs degrés de liberté (DDL) retrouvés sur les robots souples. Le projet de recherche propose des outils de conception pour ce nouveau genre de systèmes de capteurs de mouvement. Pour démontrer ces outils, un système de capteurs est conçu pour un robot souple existant servant pour des interventions chirurgicales guidées par imagerie. De plus, un algorithme de calibration utilisant des techniques d’apprentissage automatique est proposé pour les capteurs à plusieurs DDL. Un prototype du système de capteurs conçu est fabriqué et installé sur le robot souple existant. Lors d’essais expérimentaux, le prototype du système de capteurs atteint une précision moyenne de 0.3 mm et minimale de 1.2 mm.

L'arrivée sur le marché des transistors au Nitrure de Gallium (GaN) permet l'augmentation de la fréquence de commutation des convertisseurs statiques. La conséquence directe est la réduction des dimensions des composants passifs et l'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs. Les bobines utilisées pour le stockage et le filtrage sont des composants très volumineux et qui occupent une place importante dans les convertisseurs. Une solution permettant de réduire les dimensions de ces bobines consiste à augmenter la fréquence de fonctionnement des convertisseurs statiques grâce aux composants GaN. Les travaux de cette thèse portent sur la conception et la réalisation des bobines de stockage d'énergie, réalisées à partir de pistes de circuit imprimé (PCB) et de matériaux magnétiques souples. Ces bobines sont destinées aux convertisseurs DC-DC hautes fréquences (HF) à base de transistors GaN. Les matériaux magnétiques souples commercialisés sous forme de feuilles présentent des caractéristiques magnétiques adaptées aux applications hautes fréquences. Ainsi, elles peuvent être découpées en différentes formes géométriques. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé une méthode de conception des bobines PCB à base de matériaux souples pour les convertisseurs HF. Elle est basée sur un algorithme d'optimisation du volume de la bobine en prenant compte les contraintes thermiques du matériau magnétique, mais également des capacités parasites qui apparaissent en HF. La bobine ainsi conçue est réalisée puis caractérisée afin de valider l’outil de conception proposé. La dernière étape consiste à intégrer la bobine obtenue dans un convertisseur Boost synchrone à base de transistors GaN commutant à une fréquence de 1 MHz. Dans le but de tenir compte finement des contraintes thermiques durant la phase de conception de la bobine, des améliorations sont proposées, on se basant sur les résultats de validation expérimentale
The arrival on the market of GaN power transistors allow to increase the operating frequency of static converters. The direct consequence is the reduction of the dimensions of the passive components which leads to increase the converter power density. Inductors used for storage and filtering of electrical energy are very bulky components and occupy an important place in the converters. One solution for reducing the dimensions of these inductors is to increase the operating frequency of the static converters, made possible thanks to the GaN components. The work of this thesis is about the design and realization of energy storage inductor, made from printed circuit board (PCB) tracks and flexible magnetic materials for high frequency DC-DC converters based on GaN transistors. Flexible magnetic materials marketed in the form of sheets have magnetic characteristics suitable for high frequency applications. Also, they can be cut into different geometric shapes. As part of this thesis, we have proposed a design method for PCB inductors based on flexible materials for high frequency converters. It is based on an algorithm for optimizing the volume of the inductor taking into account the thermal issues of the magnetic material and the parasitic capacitances which appear at high frequencies. The designed inductor is then characterized in order to validate the proposed design tool. The last step is to integrate the obtained inductor in a synchronous Boost converter based on GaN transistors of 1MHz operating frequency to evaluate its electrical and thermal performances. In order to take into account finely the thermal constraints in the design of the inductor, improvements are proposed, based on the results of experimental validation

Concevoir des robots avec des Matériaux Bio-Sourcés (MBS) dans le but d'écoconception n'a presque jamais été exploré dans le passé. L’objectif de cette thèse est de montrer qu’il est possible de réduire considérablement l’impact environnemental des robots industriels en remplaçant la grande majorité des matériaux métalliques / composites de carbone utilisés dans leur conception par des matériaux bio-sourcés à faible impact écologique. Le bois est l'un des meilleurs candidats en raison de ses propriétés mécaniques intéressantes. Cependant, les performances / dimensions du bois varient en fonction des conditions atmosphériques / sollicitations externes. Ainsi, cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet RobEcolo dont le défi est de concevoir un robot industriel parallèle en bois rigide et précis. Afin d'assurer une performance optimale de robots en bois (en particulier la précision) et de minimiser l'incertitude des modèles MBS et les erreurs dues aux variations dimensionnelles en fonction des conditions atmosphériques, des capteurs extéroceptifs peuvent être utilisés pour commander le robot. Cependant, toute observation externe a un impact sur les performances du robot. Il est donc nécessaire d'optimiser la conception du robot par rapport aux critères de performance mécanique usuels mais aussi par rapport aux indices de performance issus de la définition de la commande par capteurs extéroceptifs. Ainsi, l'un des objectifs de ce manuscrit est de décrire une nouvelle approche de conception orientée commande. Cette approche permet de prendre en compte les performances du contrôleur dès la phase de conception du robot ce qui amènera à satisfaire la performance de précision lors de la commande de celui-ci, par la définition des paramètres géométriques primaires optimaux du robot. En effet, des modèles élastiques sont nécessaires aux étapes de conception et de contrôle et doivent être suffisamment précis pour fournir une estimation correcte des déformations et des fréquences propres du robot. De plus, ils doivent également être efficaces sur le plan de temps de calcul, car ils seront calculés des milliers de fois au cours du processus de la conception optimale, ou en temps réel dans la boucle de commande. Afin de répondre à ces exigences, nous proposons dans ce manuscrit une modification basée sur la théorie poutre d'Euler-Bernoulli qui est utilisée pour développer des modèles élastiques en bois simples et rapides capables de prédire un comportement réaliste des robots en bois en statique et en dynamique. Enfin, les développements théoriques proposés dans cette thèse ont permis le prototypage d'un mécanisme à cinq barres en bois et les performances du robot en termes de rigidité et de précision ont été validées expérimentalement sur le prototype
Designing robots with bio-sourced materials (BSM) for eco-design purpose has almost never been explored in the past. This thesis investigates the potential of using bio-sourced materials, which have almost no environmental impact, instead of metals for robot design. Wood is one of the best candidates because of its interesting mechanical properties. However, wood performance / dimensions vary with the atmospheric conditions / external solicitations. Thus, this thesis is in the framework of the RobEcolo project whose challenging to design a stiff and accurate wooden industrial parallel robot. To ensure optimal performance of the wooden robot (specifically the accuracy) and in order to minimize the uncertainty of the BSM models and the errors due to the dimensional variations due to atmospheric conditions, exteroceptive sensors can be used to control the robot. In order to satisfy these requirements, we propose in this manuscript a modification of the Euler-Bernoulli beam theory which is used to develop accurate and fast wood elastic models able to predict the realistic robot static and dynamic behaviors. Finally, theoretical developments proposed in this thesis allowed the prototyping of an industrial wooden five-bar mechanism and the robot performance in term of safeness and accuracy has been validated experimentally on the prototype

Les dispositifs thermoélectriques, légers et flexibles, peuvent être particulièrement intéressants aujourd’hui dans le contexte de l’émergence de l’informatique ubiquitaire, ainsi que de la crise environnementale liée à la consommation d’énergie électrique. Cependant, beaucoup de problèmes doivent encore être résolus pour rendre les dispositifs de récupération de chaleur commercialement viables. Dans cette thèse nous avons élaboré une méthode de conception et de fabrication par impression jet d’encre de générateurs flexibles à base de semi-conducteurs organiques et hybrides. En premier lieu, les travaux ont été consacrés au développement de matériaux thermoélectriques efficaces, stables et synthétisés par voie liquide. Les stratégies d’optimisation employées reposent sur la modulation de la concentration de porteurs de charge et le contrôle de la morphologie microscopique du matériau. En second lieu, nous avons effectué un travail de conception et de modélisation de dispositifs thermoélectriques ainsi que de leurs paramètres géométriques en utilisant des outils numériques. La modélisation numérique a été réalisée par la méthode des éléments finis 3D et par couplage d’effets physiques multidimensionnels. L’aboutissement de notre projet a été la formulation des matériaux en encres pour la fabrication de générateurs thermoélectriques par la technique de dépôt par impression jet d’encre. Différentes structures et architectures ont été expérimentalement caractérisées et systématiquement comparées aux évaluations numériques. Ainsi, nous présentons une approche intégrale de conception et de fabrication de dispositifs thermoélectriques opérant à des températures proches de l’ambiant
Flexible lightweight printed thermoelectric devices can become particularly interesting with the advent of ubiquitous sensing and within the context of current energy and environmental issues. However, major drawbacks of state of the art thermoelectric materials must be addressed to make waste heat recovery devices commercially feasible. In this PhD thesis, we’ve elaborated and described a method to fabricate optimized, fully inkjetprinted flexible thermoelectric generators based on organic and hybrid semiconductors. This research project can be divided into three stages: First is the development of effective, stable and solution-processed p-type and n-type thermoelectric materials. Our effort in optimizing thermoelectric materials were based on modulation of charge carrier concentration and on control of morphology. Second, design and modeling of thermoelectric devices and their geometric parameters using numerical simulation methods. Numerical simulations were based on a 3D-finite element analysis and simulation software for coupled physical problems to model and design thermoelectric devices. Finally, formulation of materials into ink in order to produce thermoelectric generators by inkjet printing deposition. Various structures and architectures were experimentally characterized and systematically compared to numerical evaluations. Hence, we produced an extensive study on designing and producing thermoelectric devices operating at near ambient temperature and conditions