Engrenages à énergie lumineuse: Concevoir les plus petits moteurs pour la médecine

La tendance à la miniaturisation a pénétré un large éventail d’industries.

En particulier, des efforts sont en cours pour créer des dispositifs plus petits, plus efficaces et plus puissants dans divers domaines, notamment l’électronique, l’intelligence artificielle, l’espace et la médecine.

Le concept de miniaturisation consiste simplement à fabriquer des produits et des dispositifs plus petits. Cela donne des produits plus légers, plus compacts et portables, avec des performances améliorées et des coûts réduits, favorisant une plus grande accessibilité et l’innovation.

La miniaturisation des machines mécaniques est en réalité essentielle pour faire progresser la nanotechnologie et réduire l’impact environnemental du dispositif. Cependant, elle est plus complexe en raison des changements des propriétés structurelles des pièces mécaniques lorsqu’elles sont réduites.

En mécatronique, les chercheurs travaillent depuis plusieurs décennies à la réduction des composants clés des machines, tels que les engrenages et les micromoteurs. Cependant, ces efforts d’ingénierie se heurtent à des limites d’environ 0,1 millimètre (mm).

Cela est dû aux complexités liées à la construction de transmissions et de systèmes d’accouplement à une telle échelle.

Mais une équipe de chercheurs de l’Université de Göteborg a finalement trouvé une alternative pour y parvenir. Publiée dans Nature, l’étude intitulée ‘Machines métamécaniques à engrenages microscopiques¹‘ détaille leur approche qui consiste à utiliser des métasurfaces optiques (OM) pour entraîner localement les minuscules machines.

La nouvelle approche peut en fait être fabriquée à l’aide de méthodes de lithographie standard et intégrée de manière transparente sur la puce, permettant aux chercheurs d’atteindre des tailles de l’ordre de dizaines de micromètres (μm) avec des mouvements précis à l’échelle sub-micrométrique. 

Dans leur preuve de concept, l’équipe a démontré la construction d’engrenages microscopiques alimentés par un seul engrenage moteur, avec une métasurface activée par une onde lumineuse plane. Ils ont également développé une « micromachine à pignon et crémaillère polyvalente », capable d’effectuer un mouvement périodique, de transduire le mouvement de rotation et de contrôler de minuscules miroirs pour la déviation de la lumière.

Le processus de fabrication sur puce permet une intégration simple. Par ailleurs, l’utilisation de la lumière comme source d’énergie facilement contrôlable permet aux métamachines miniaturisées d’offrir un mouvement et un contrôle précis, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour les systèmes micro- et nanoscopiques, note l’étude.

Réduction des systèmes mécaniques pour une miniaturisation avancée

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Des moulins anciens à la robotique moderne, des horloges simples aux voitures complexes, les engrenages sont partout, reflétant l’évolution de la technologie humaine. 

Ces mécanismes à engrenages sont des systèmes où des engrenages emboîtés transfèrent le mouvement, la force et la puissance pour accomplir des tâches efficacement. Cruciaux pour l’automobile, l’aérospatiale, la robotique et d’autres applications, ces systèmes offrent un contrôle précis en modifiant la vitesse et en augmentant l’avantage mécanique.

Les avancées actuelles des engrenages se concentrent sur leur miniaturisation à l’échelle micrométrique, ce qui réduira les déchets et améliorera l’efficacité des matériaux. 

Cela ouvrira également de nouvelles possibilités pour mécaniser et explorer une échelle de longueur qui jusqu’à présent reste hors de portée. Par exemple, la réduction du système nous offrira une compréhension plus approfondie du frottement et des interactions de surface, tout en permettant des innovations telles que des dispositifs microfluidiques haute performance et des technologies optiques reconfigurables.

Actuellement, les efforts dans ce domaine se sont concentrés sur la création de micromoteurs individuels, de minuscules objets capables de rotation. Pour les alimenter, des mécanismes tels que les champs électriques statiques et AC, les champs lumineux et les champs magnétiques ont été explorés.

Cependant, le problème a été d’intégrer les micromoteurs dans de petits mécanismes à engrenages fonctionnels, ce qui a créé un besoin d’approche évolutive.

La dernière percée de la recherche offre une solution en créant de minuscules engrenages pouvant être alimentés directement par la lumière, permettant ainsi la construction des plus petits moteurs jamais réalisés pour des applications sur puce.

Comme le souligne l’étude, les avancées récentes en matière de matière active ont utilisé la lumière non focalisée pour déplacer de minuscules véhicules à l’aide de métasurfaces qui produisent des forces optiques latérales via la diffusion directionnelle de la lumière. 

Il a été démontré que les microvéhicules dotés de ces nanostructures disposées en motif parallèle se propulsent sous une lumière linéairement polarisée. Ils peuvent également être contrôlés à l’aide de lumière polarisée via le transfert de moment angulaire de spin.

De plus, disposer les diffuseurs en motif circulaire a permis la rotation sous lumière linéairement polarisée. Des conceptions encore plus avancées utilisent quatre nano-antennes plasmoniques chirales adressables individuellement, qui permettent un contrôle complet du mouvement en 2D en appliquant une lumière à double longueur d’onde.

En s’appuyant sur ces avancées, l’équipe a créé un mécanisme à engrenages entraîné par des métasurfaces optiques fonctionnant sous illumination continue.

Les métasurfaces sont des matériaux 2D ultra-fins spécialement conçus, composés de structures sous-longueur d’onde qui contrôlent les ondes électromagnétiques en manipulant leur phase, amplitude et polarisation.

En façonnant ces ondes avec précision, les métasurfaces permettent des applications telles que des lentilles, des affichages holographiques, des capteurs avancés, une récupération d’énergie efficace et des systèmes de communication sans fil améliorés.

Les métasurfaces optiques (OM) constituent ici des candidates prometteuses pour résoudre le goulot d’étranglement des éléments optiques encombrants. Elles offrent une nouvelle façon de manipuler la lumière basée sur la diffusion provenant de nanostructures résonantes, offrant ainsi un contrôle efficace de la phase, de la polarisation et de l’émission.

Afin d’intégrer le métamatériau optique dans les engrenages directement sur une micro-puce, l’équipe a utilisé la photolithographie standard.

La photolithographie est un processus de microfabrication qui utilise la lumière pour transférer un motif géométrique d’un masque photo sur un matériau photosensible (photoresist) d’un substrat, tel qu’une plaquette de silicium. Ce processus est essentiel pour créer les motifs complexes présents dans les semi-conducteurs.

Quant au matériau utilisé pour les engrenages, chacun d’une taille d’environ quelques dizaines de micromètres (0,016 μm précisément) de diamètre, l’équipe a utilisé du silicium.

Le silicium (Si) est un élément crucial pour la technologie moderne, servant de matériau semi-conducteur essentiel dans les micro-puces et les transistors. L’équipe l’a utilisé comme matériau principal en raison de sa compatibilité avec la photolithographie, facilitant ainsi la fabrication à grande échelle.

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Révolutionner la médecine avec de minuscules machines

Au lieu d’utiliser la mécanique traditionnelle, l’équipe de recherche de l’Université de Göteborg a employé la lumière laser pour fabriquer des engrenages microscopiques capables non seulement de tourner, mais aussi de changer de direction et même d’alimenter des machines microscopiques.

Le moteur est si petit qu’il peut tenir confortablement à l’intérieur d’un cheveu. On espère que ces avancées mèneront à des outils médicaux futuristes de la taille de cellules humaines.

Grâce à cette percée, les chercheurs ont surmonté la limitation de la construction de transmissions plus petites qui déplacent les micro-moteurs, ce qui avait limité leurs progrès à 0,1 mm, en abandonnant simplement les transmissions.

Les machines microscopiques sont quant à elles mises en mouvement par la lumière laser. Pour cela, l’équipe a utilisé des métamatériaux optiques, de petites structures finement structurées capables de capturer ainsi que de contrôler la lumière avec une grande précision et à très petite échelle.

En projetant un laser sur le métamatériau, les chercheurs font tourner la roue dentée, et en contrôlant l’intensité du laser, ils régulent la vitesse. De plus, ils peuvent changer la direction de la roue dentée en ajustant la polarisation de la lumière. 

« Nous avons construit une transmission d’engrenages dans laquelle un engrenage entraîné par la lumière met toute la chaîne en mouvement. Les engrenages peuvent également convertir la rotation en mouvement linéaire, réaliser des mouvements périodiques et contrôler des miroirs microscopiques pour dévier la lumière. »

– Gan Wang, premier auteur de l’étude et chercheur en physique de la matière molle à l’Université

Cette capacité à intégrer directement des machines microscopiques sur une puce et à les propulser avec la lumière ouvre de nouvelles possibilités passionnantes. 

Pour commencer, les chercheurs se rapprochent davantage de la construction de micromoteurs, qui peuvent être mis à l’échelle pour former des microsystèmes complexes, la lumière laser étant facile à contrôler et ne nécessitant aucun contact fixe avec la machine.

« Il s’agit d’une façon fondamentalement nouvelle de concevoir la mécanique à l’échelle microscopique. En remplaçant les accouplements encombrants par des accouplements lumineux, nous pouvons enfin surmonter la barrière de taille. »

– Wang

Une autre possibilité est l’utilisation de micromachines et de nanomachines, qui peuvent manipuler de petites particules ou être intégrées dans des systèmes lab-on-a-chip, permettant l’évaluation des systèmes biologiques.

Utiliser la lumière comme source d’énergie largement disponible et biocompatible rend le micromoteur bien adapté à la manipulation de cellules, de bactéries et d’autres matières biologiques. 

Le système a utilisé un laser standard de 1064 nm, qui a une faible absorption par l’eau et les tissus, réduisant ainsi les dommages aux échantillons biologiques. De plus, la lumière fonctionne avec une faible puissance, seulement quelques mW, et reste dans les seuils de sécurité pour les systèmes biologiques. 

Il est à noter que la lumière peut être dirigée sélectivement vers l’engrenage moteur, ce qui évite d’exposer directement les échantillons biologiques à la source lumineuse. Ce mécanisme indirect et non nocif de délivrance d’énergie élargit les applications des métamachines et micromoteurs entraînés par la lumière dans les environnements biomédicaux.

Plus spécifiquement, les engrenages microscopiques peuvent aider à réguler les flux de fluides ou à contrôler les systèmes de délivrance de médicaments.

Avec des roues dentées mesurant de 16 à 20 μm, la taille de certaines cellules humaines, les nouveaux micromoteurs pourraient être utilisés comme pompes à l’intérieur du corps humain pour réguler divers flux, et pourraient également fonctionner comme des valves qui s’ouvrent et se ferment.

En plus de tout cela, le processus de fabrication sur puce, complexe et à plusieurs étapes, utilisé ici est compatible avec la lithographie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) largement utilisée, ce qui peut faciliter son intégration fluide avec d’autres composants CMOS tels que les capteurs plasmoniques et les métalens.

Avec ses engrenages alimentés par la lumière à l’échelle micrométrique, l’étude promet des capacités révolutionnaires dans les systèmes mécaniques micro- et nanoscopiques. Cependant, il subsiste une limitation liée à la dépendance aux métasurfaces préconçues, qui restreint la capacité d’ajustement dynamique du mouvement.

Pour remédier à cela, les chercheurs ont recommandé d’intégrer des matériaux à transition de phase comme le dioxyde de vanadium (VO₂) dans la conception des métasurfaces. Cela permettra une reconfiguration en temps réel des propriétés optiques en réponse à des stimuli externes tels que la lumière, la température ou les champs électriques.

Ils ont également suggéré des matériaux alternatifs pour les métasurfaces comme le TiO₂ afin d’étendre la longueur d’onde opérationnelle dans le spectre visible, ce qui simplifiera le calibrage optique et pourra améliorer l’adaptabilité, les performances et l’applicabilité du système dans divers environnements.

Le bond de la miniaturisation vers la médecine

La miniaturisation révolutionne l’électronique depuis des décennies. La fabrication de dispositifs plus petits, plus économes en énergie et à haute performance a permis des avancées dans les smartphones, les objets connectés et les systèmes de communication.

Cela est toutefois tout aussi important en médecine, où les machines miniatures peuvent offrir une plus grande précision. De tels outils peuvent non seulement améliorer le diagnostic, mais aussi permettre de nouvelles thérapies au niveau cellulaire et rendre les soins de santé plus accessibles.

Ainsi, les chercheurs explorent l’extension de la miniaturisation à la médecine.

Comme nous l’avons vu avec les engrenages à métasurface de Göteborg, ils ont résolu les goulets d’étranglement d’actionnement en éliminant les transmissions. Une autre équipe l’a résolu en intégrant directement la détection dans leurs machines, ouvrant la voie aux applications concrètes de dispositifs miniatures intelligents.

L’équipe de chercheurs de l’École des circuits intégrés et du Laboratoire national de Wuhan pour l’optoélectronique, de l’Université Huazhong des sciences et technologies, Chine, a développé des machines magnéto-ultrasoniques miniatures pour la détection robotique sans fil et la manipulation.

Cette étude aborde le problème d’incompatibilité entre détection et actionnement à l’échelle microscopique qui entrave le développement de systèmes miniatures intelligents pouvant faire progresser de manière significative les applications biomédicales.

Comme solution, les chercheurs ont proposé une nouvelle approche intégrant des capteurs ultrasoniques souples embarqués (EUSS) avec des actionneurs magnétiques. L’EUSS est souple, compact et léger dans sa conception. Avec un poids de seulement 4,6 milligrammes et des dimensions de 1,3 mm × 1,3 mm × 1,6 mm, il est compatible tant avec les composants souples que rigides en termes de taille et de déformabilité.

De plus, l’équipe a conçu des transducteurs embarqués et, en plus des champs magnétiques externes, a utilisé la communication ultrasonique passive, ce qui leur a permis de détecter et de réguler sans fil la force, les vibrations, la température et la viscosité.

Lors des tests sur des lapins et des porcs, l’équipe a constaté que le dispositif offrait un dosage précis de médicaments, une surveillance physiologique et un contrôle de rétroaction robotique.

Dans un autre cas, des chercheurs de l’EPFL ont développé une interface cerveau-machine miniaturisée (MiBMI) qui améliore l’efficacité ainsi que l’évolutivité des BMI, offrant une voie prometteuse pour restaurer le contrôle et la communication chez les personnes présentant de graves déficiences motrices.

De par sa petite taille et sa faible consommation d’énergie, le système le rend adapté aux applications implantables, tandis que son invasivité minimale assure la sécurité du patient. C’est un système entièrement intégré avec l’enregistrement et le traitement effectués sur deux puces vraiment petites.

« MiBMI nous permet de convertir une activité neuronale complexe en texte lisible avec une grande précision et une faible consommation d’énergie. Cette avancée nous rapproche de solutions pratiques et implantables qui peuvent améliorer de façon significative les capacités de communication des personnes atteintes de graves déficiences motrices. »

– Mahsa Shoaran, dont le laboratoire Integrated Neurotechnologies Laboratory (INL) à l’EPFL a développé le dispositif

Investir dans l’avenir de la technologie miniaturisée

Alors que la capitalisation boursière de 122,6 milliards $ de Medtronic (MDT ) possède un portefeuille étendu d’appareils médicaux tels que micro-capteurs, actionneurs et dispositifs robotiques d’assistance, et que la capitalisation boursière de 12 milliards $ de Lumentum Holdings (LITE ) fait progresser le domaine optique et photonique, nous examinerons aujourd’hui le potentiel d’investissement de SiTime Corporation (SITM ), qui illustre comment les MEMS (systèmes micro‑électromécaniques) évoluent et comment leur intégration dans les puces est gérée commercialement.

SiTime Corporation (SITM )

SiTime est une société d’analogique et de semi-conducteurs dont les produits sont utilisés pour le chronométrage précis dans l’électronique.

Cette semaine, SiTime Corporation a annoncé le lancement de la plateforme Titan, une famille de résonateurs MEMS environ quatre fois plus petite que les plus petites alternatives en quartz héritées. Selon l’entreprise, cela permettra une « miniaturisation sans précédent » ainsi qu’une intégration dans de petits appareils alimentés par batterie, alimentant la prochaine vague d’innovation dans les dispositifs médicaux, les objets connectés et l’IoT industriel.

Avec une capitalisation boursière de près de 8 milliards $, les actions de SiTime se négocient actuellement à 306,5 $, en hausse de 42,3 % depuis le début de l’année (YTD). En avril de l’année dernière, les actions SITM étaient en dessous de 100 $, et ont depuis augmenté de plus de 323 %. L’action a également progressé de plus de 106 % depuis ce creux d’avril, en ligne avec le marché boursier large, qui a atteint des sommets historiques. 

Financièrement, l’entreprise a déclaré une hausse de 58 % de son chiffre d’affaires net, atteignant 69,5 millions $ pour le deuxième trimestre 2025.

Son bénéfice brut GAAP était de 36,1 millions $, les dépenses d’exploitation GAAP de 60,7 millions $, et la perte nette GAAP de 20,2 millions $, soit 0,84 $ par action diluée. Par ailleurs, le bénéfice brut non GAAP était de 40,5 millions $, les dépenses d’exploitation non GAAP de 33,3 millions $, et le revenu net non GAAP de 11,6 millions $, soit 0,47 $ par action diluée.

« La dynamique continue de SiTime sur nos marchés finaux montre que notre concentration sur les applications haute performance porte ses fruits. Le chiffre d’affaires de nos marchés Communications, Entreprise et Centres de données (CED) a augmenté de 137 % d’une année sur l’autre, stimulé par l’IA qui a créé une forte demande pour nos solutions de chronométrage de précision. »

– PDG Rajesh Vashist

L’entreprise a clôturé le trimestre avec 796,7 millions $ en liquidités totales, équivalents de trésorerie et placements à court terme.

Dernières actualités et développements boursiers de SiTime Corporation  (SITM)

Conclusion

La micro‑ingénierie est prête à transformer notre approche mécanique des systèmes microscopiques, et la dernière percée dans la création d’engrenages à l’échelle micrométrique rend cela possible. Les nouveaux engrenages minuscules alimentés par la lumière promettent de révolutionner la médecine en alimentant des machines de la taille des cellules humaines.

Cela reflète la transition de la miniaturisation de l’électronique vers la médecine, montrant que la réduction d’échelle de la technologie ne concerne pas seulement l’efficacité, mais aussi le déverrouillage de possibilités entièrement nouvelles.

Avec le temps, ces dispositifs continueront à devenir plus petits et plus performants, ouvrant la voie à des microsystèmes autonomes qui pourraient un jour fonctionner de manière fluide à l’intérieur du corps humain, où ils réguleront les flux, délivreront des médicaments et pourront même réparer les tissus au niveau cellulaire.

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Références:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). Nature Communications, 16:7767. (Version of Record), publié le 20 août 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62869-6
2. Liu, X., Tang, H., Li, N., He, L., Tian, Y., Hao, B., Xue, J., Yang, C., Sung, J. J. Y., Zhang, L., & Zang, J. (2025). Science Robotics, 10:106. (Version of Record), publié le 17 septembre 2025. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
3. Shaeri, M., Shin, U., Yadav, A., Caramellino, R., Rainer, G., & Shoaran, M. (2024). Une interface cerveau-machine miniaturisée de 2,46 mm² (MiBMI) permettant le décodage du cerveau au texte en 31 classes. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 59:11, 3566–3579. (Version of Record), publié en novembre 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>