Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles

Les structures multi-stables sont des structures qui présentent plus d'un état stable ; elles peuvent rester dans ces états indéfiniment sans avoir besoin d'appliquer une déformation continue. Ces structures exploitent des instabilités pour modifier dynamiquement leur géométrie, leur permettant d'adopter plusieurs formes et propriétés physiques. De plus, des éléments multi-stables peuvent être assemblés en une macro-structure. À partir des états de stabilité locaux, plusieurs configurations et formes stables de la macro-structure peuvent être atteintes, la structure est ainsi hautement reconfigurable. Cependant, le défi scientifique actuel réside dans l'actionnement à distance de ces structures multi-stables : la plupart des dispositifs d'utilisation proposés pour les structures multi-stables ne suggèrent aucune stratégie d'actionnement ou proposent des dispositifs complexes. D'autre part, les matériaux (ou structures) actifs sont des matériaux (ou structures) capables de modifier leur forme ou leur configuration lorsqu'ils sont activés par des stimuli multi-physiques externes (par exemple, des stimuli électriques, thermiques ou hygrométriques). Ils sont utilisés pour créer des structures à géométrie modifiable qui peuvent passer rapidement et de manière réversible d'une forme à une autre, permettant des transformations dynamiques de leur forme et ainsi de leur fonctionnalité. Le projet MultiMorph vise à combiner le potentiel d'actionnement des matériaux actifs avec la reconfigurabilité des structures multi-stables pour créer des structures adaptatives à géométrie modifiables capables de se transformer grâce à des stimuli multi-physiques, avec des applications envisagées en robotique souple. Nous proposons une méthode d'actionnement basée sur l'utilisation de matériaux actifs (la phase active), combinée à une stratégie d'optimisation d'une distribution spatiale de matériaux actifs et passifs dans la structure afin de déclencher des instabilités structurelles.

The OPTI-6G project develops a Photonic near IR Cell Free 5G Network, which does not suffer from interference because of the propagation characteristics of EM waves in this part of the spectrum and provides universal broadband coverage within buildings from pervasively located OWC access points. The benefits of applying cell free near IR networks in buildings are (1) multi-connectivity can be configured with cell free network thereby improving link quality and reliability; (2) there is no longer the need for building owners to subdivide their non-public mobile building network into cellular areas; (3) building owners no longer need to request permission from MNOs to use their licensed spectrum since the system operates at the optical unlicensed bands; (4) interference between inside and outside access is managed by an AI Based Distributed Scheduler; (5) position and orientation of end user equipment can be measured very accurately. It provides solutions to two main barriers to develop this challenge: (i) Brings together a select multi-disciplinary team of research institutions and industries in a collaborative project to develop and demonstrate this vision, who otherwise would not have assembled to achieve this goal; (ii) Develops a proof of concept demonstrator in OLEDCOMM and RUNEL; (ii) Performs experiments to measure position and orientation of end user equipment at UVSQ and UBRU. The starting point is (1) state-of-the-art cell free 5G RAN solution and very high accuracy sub cm accuracy localisation measurement system developed by RUNEL; (2) the state of the art VCSEL infrared source and high-speed PIN photodiodes receivers and that supports 1 Gbps data rates up to 5 m over a field of emission of 25° developed by OLEDCOMM. The project brings together these technologies to produce an easy installation and operation, License Free broadband Network for indoor buildings. The outcome will be low-cost commercially attractive broadband cellular access within buildings

Les communications optiques sans fil (OWC) sont des technologies haut débit et hautement sécurisées développées pour soutenir les solutions radiofréquences face à la croissance rapide des échanges sans fil. Les OWC utilisent souvent des photodiodes PIN ou à avalanche pour la réception optique, qui malgré leurs avantages ont une faible photosensibilité. Cela limite la couverture de communication à quelques mètres carrés et ne peut être amélioré qu'au détriment de la compacité et de la consommation d'énergie du système OWC, alors que la réduction de ces deux paramètres est critique pour leur intégration dans les équipements grand public comme les smartphones ou les ordinateurs. Une solution très prometteuse est d’utiliser à la place des récepteurs SPAD (Single Photon Avalanche Diode) capables de détecter la lumière au niveau du photon et compatibles avec les technologies CMOS, permettant ainsi la fabrication de récepteurs OWC ultra-sensibles et compacts sous forme de circuits intégrés (IC). Bien que les SPAD souffrent de plusieurs limitations, la littérature a montré qu'elles peuvent être utilisées en OWC à des débits de quelques Gbps. Cependant, ces travaux sont principalement théoriques et les quelques résultats expérimentaux disponibles utilisent des SPAD commerciales non optimisées pour les OWC et évaluées selon un nombre limité de métriques. Le projet CLIPS vise donc à démontrer tout le potentiel des SPAD pour les OWC en adoptant l'approche d'optimisation globale suivante : 1) Concevoir un IC 3D de réception à 940 nm pour bénéficier des dernières avancées en matière de SPAD 3D sur silicium, initialement développées pour la détection de proximité, etc. 2) Intégrer ce récepteur dans un système OWC complet, dont les performances seront évaluées selon de multiples métriques et dans des cas d'utilisation nominaux. Pour cela, le projet CLIPS réunit des organisations à la pointe des OWC (Oledcomm, LISV) et du développement de circuits intégrés SPAD (INL, ICube, TIMA).

Le LiFi est considéré comme une solution de connectivité pertinente pour faire face à l'explosion du trafic attendue avec la 5G et encore plus avec la 6G. Les systèmes LiFi utilisés actuellement pour l’accès réseau en intérieur, par exemple dans les bureaux, sont basés sur le concept de cellules générées par des points d’accès (AP) installés au plafond. En déployant plusieurs AP, on peut alors assurer la couverture continue d’une pièce complète, avec des débits pouvant aller jusqu’à 100 Mbps par cellule pour certains produits. Néanmoins, cette topologie de réseau LiFi est soumise à de nombreuses contraintes. Par exemple, des mécanismes spécifiques de gestion des interférences et de handover entre APs sont nécessaires pour assurer une communication continue aux utilisateurs en mouvement. Or, ces mécanismes nécessitent la transmission d’une quantité importante de données de signalisation en plus des données utiles, ce qui limite le débit et la latence dédiés aux utilisateurs et réduit donc la qualité de service (QoS). Par ailleurs, les données d’un utilisateur peuvent être écoutées par un autre utilisateur qui se trouve dans la même cellule ce qui, quoique déjà moins probable que dans le cas de communications radios, pose des problèmes de sécurité. Pour résoudre ces problèmes, le projet SAFELiFi propose de développer un système LiFi sans cellule. Chaque AP serait dans ce cas équipé d’antennes optiques orientables capables de suivre en temps réel les mouvements des utilisateurs afin de leur fournir un signal optique directif et concentré. Les liens optiques ainsi établis entre APs et utilisateurs conserveraient alors un rapport signal à bruit très élevé et seraient moins sujets aux interférences, ce qui permettrait d’améliorer considérablement la QoS. Par ailleurs, du fait de leur directivité, ces liens seraient très difficiles à capter par un dispositif hostile et donc extrêmement sécurisés de manière physique. Pour aboutir à un tel système, six briques fondamentales devront être développées : 1) un algorithme de localisation et de suivi ; 2) une plateforme matérielle orientable, qui suivra à partir des informations de l’algorithme de localisation les utilisateurs desservis ; 3) une en-tête optoélectronique optimisée dédié à l’émission et à la réception des signaux optique à haut débit et sur plusieurs longueurs d’ondes ; 4) une couche physique optimisée avec notamment une modulation optimisée pour des conditions de rapport signal à bruit élevé ; 5) un mécanisme de handover/répartition du trafic horizontal permettant de répartir le trafic entre AP et de gérer les changements d’AP lorsqu’un utilisateur est mobile et 6) un mécanisme de handover/répartition du trafic vertical permettant de répartir le trafic entre réseau LiFi et réseau radio (par exemple réseau WiFi) et d’assurer le passage d’une technologie à l’autre si nécessaire (par exemple de passer au réseau WiFi si le lien LiFi est bloqué par un obstacle). L'objectif final du projet est de mettre en place un démonstrateur composé de quatre AP et de quatre utilisateurs, mais qui pourra ensuite facilement être mis à l'échelle. Chaque lien entre AP et utilisateur atteindrait un débit de 2 Gbps avec une latence de 1 ms. Par ailleurs, plusieurs liens pourraient être agrégés au niveau d’un utilisateur (par multiplexage en longueur d’onde ou via plusieurs APs par exemple), si bien qu’un utilisateur aurait à disposition un débit de 5 Gbps. Pour atteindre cet objectif, le projet SAFELiFi s’étendra sur 42 mois et fera appel à deux doctorants et un ingénieur, en plus de plusieurs personnels permanents du LISV, dont Bastien BECHADERGUE qui en sera le coordinateur.

Les recherches et développements sur les composants électroniques compatibles avec des supports souples font actuellement émerger des produits avec de nouvelles fonctionnalités et conduisent à créer de nouveaux marchés. Cependant, les recherches concernant l’intégration de micro-transducteurs compatibles et performants sur ces supports sont peu nombreuses au niveau national et international. Les micro-transducteurs classiques ne sont pas adaptés à ces nouveaux supports car ils sont rigides et les températures requises de fabrication sont trop élevées. Cette situation laisse donc une porte ouverte aux développements de polymères électroactifs fonctionnant comme actionneur ou comme capteur pour la réalisation de microsystèmes sur support souple. Ce projet cherche à valoriser ces matériaux, considérés dans la littérature comme des muscles artificiels, dans le domaine des microsystèmes par la réalisation de deux démonstrateurs qui exploitent les avantages des matériaux polymères ioniques. La particularité de ces matériaux est qu’ils sont légers, peu coûteux, pliables, ils peuvent être configurés dans des formes complexes et leurs propriétés peuvent aussi être adaptées à la demande, ils sont capables de produire de grandes déformations en flexion, sont actionnés avec des tensions basses (1-5V) sous air ou sous vide, et sont biocompatibles. Micro-TIP s’appuie d’une part sur un réseau de polymères interpénétrés (RIP) parfaitement maitrisé (première génération) et pour lequel des étapes d’intégration aux microsystèmes ont été validées, et d’autre part sur la création d’un nouveau matériau (deuxième génération) impliquant un électrolyte solide apportant sans conteste un saut technologique. Ce dernier sera élaboré, caractérisé et devra faire la preuve de son intégration possible dans une technologie de microfabrication. Les performances attendues seront au minimum équivalentes à celles obtenues pour le matériau de première génération. Dans Micro-TIP, nous souhaitons aussi innover sur un deuxième axe en mettant en avant les facultés de détection de ces matériaux mises en évidence sur des matériaux macroscopiques de première génération. Il s’agit là d’un domaine très peu étudié à l’international. De plus, les chercheurs impliqués dans Micro-TIP pensent que ces transducteurs auront la capacité à mieux s’adapter à des supports souples (en prévision d’une électronique souple) que d’autres types de transducteurs, et se lancent donc le défi dans ce projet de réaliser leurs démonstrateurs en privilégiant des supports souples ou semi-souples et une technologie adaptée. Un travail de modélisation original (principalement du mode actionneur) est aussi proposé afin de disposer d’une évaluation préalable des comportements de nos démonstrateurs. Ils seront fabriqués à l’aide de technologies simples faiblement "énergivores" et de préférence à bas coût. Les démonstrateurs proposés prennent en compte les facultés d’actionnement et de détection de ces matériaux dans des mécanismes complexes, opérant sous air ou sous vide, en incluant l’électronique de commande et de traitement du signal. Le premier sera un micromanipulateur à retour d’efforts pour la manipulation en environnement contraint appliquée, par exemple, au positionnement précis de composants optiques sur MEMS pour les instrumenter. Le deuxième sera appliqué à l’étude de l’endommagement et de la rupture de matériaux à l’aide d’un peigne détecteur novateur. Le souhait de Micro-TIP est de disposer en fin de projet de dispositifs suffisamment aboutis pour sensibiliser les industriels du domaine de la micro-robotique, du spatial, du biomédical… aux capacités de ces micro-muscles artificiels. L’association du LPPI, de l’IEMN et du LISV permet d’envisager sereinement la réalisation de tels microsystèmes à base de RIP. En effet cette association permet de maîtriser toute la chaîne de conception: synthèse matériau, microfabrication et caractérisation des microsystèmes, conception des démonstrateurs.