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Institut inSTI

inSTI Institut des sciences et technologies industrielles - inSTI Les activités de recherche de l’institut des sciences et technologies industrielles (inSTI) sont développées dans les domaines du génie mécanique et des microtechniques. L’institut inSTI se veut un partenaire de choix en matière de recherche et développement pour le tissu industriel local et régional mais aussi pour les collectivités. Il développe des compétences dans les domaines suivants : bio-ingénierie : génie tissulaire, bio-interface et biocompatibilité, instrumentation biomédicale et microtechnique, microfluidique et printing, chimie analytique et organique; industrie 4.0 : électronique, conception mécanique et modélisation numérique, optique et traitement d’image, automatique et robotique, advanced manufacturing; mécanique des fluides et énergie : simulation d’écoulements de type CFD, aérodynamique, essai en soufflerie, aérodynamique des drones et méthodes de mesure avancées, énergie électrique appliquée; matériaux et nanotechnologies : micro-nanotechnologie, matériaux et tribologie développement d’instrumentation nanotechnologique (en particulier microscopie), développement de couches minces fonctionnelles, nanostructures, nanotribo corrosion, essais mécaniques non usuels, simulation multiphysique. L’institut valorise ses activités de Ra&D par des transferts de technologies vers l’économie (projets CTI, projets EU, mandats…) d’une part, et par des publications scientifiques et des participations à des conférences d’autre part. De plus, inSTI attache une valeur particulière à établir des collaborations fortes avec ses partenaires, qu’ils soient industriels, étatiques, semi-étatiques, ou académiques. Il est également en contact étroit avec le Laboratoire de technologie avancée (LTA) permettant aux industriels de s’adresser de manière unifiée à la fois à HEPIA et à l’Université de Genève pour formuler un besoin en terme de mandats ou de recherche. Marc Jobin Professeur HES, Responsable institut inSTI marc.jobin@hesge.ch

inSTI TEXTULASER Développement d’un système OCT adapté à une machine de texturation laser F. Chays, H. Stoeckli, S. Bourquin, N. Giandomenico

Descriptif Ce projet, proposé par l’entreprise GF Machining solutions, a pour objectif de détecter et corriger en temps réel des défauts aléatoires pouvant apparaître lors d’un usinage par texturation laser. Aujourd’hui, la vérification de la qualité de l’usinage avec un microscope s’effectue à posteriori et de façon manuelle. Il s’agit de rendre automatique cette analyse, en couplant un système de mesure optique à la tête d’usinage laser, permettant de mesurer la pièce in-situ puis de corriger l’usinage en transmettant les mesures effectuées à la machine.

Points forts •

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Dispositif intégré à la machine permettant la mesure en temps réel de la profondeur d’usinage. Possibilité de corriger les défauts du processus par l’application d’une boucle de contre-réaction intégrée: réelle innovation. Gain de temps et de productivité, génération de données relatives à l’assurance qualité. Utilisation de la technique de tomographie par cohérence optique (OCT): source de mesure de même longueur d’onde que celle de l’usinage. Résolution de 3 µm.

Schéma de principe: phase d’usinage et phase de mesure

Lors d’un usinage de pièces par texturation laser, chaque passe élimine approximativement 100 à 200 nm de matière pour une profondeur maximale de 150 µm. Durant cette étape, des défauts peuvent apparaître découlant de l’instabilité de la source laser ainsi que de perturbations environnementales ou de précisions de la machine, difficilement maîtrisables à l’échelle de dizaines de micromètres. Le projet Textulaser a pour but d’ajouter un système de mesure à la machine afin de détecter et mesurer, en temps réel, ces défauts aléatoires pouvant apparaître lors de l’usinage. En couplant un système de mesure optique à la tête d’usinage laser, on pourra mesurer la pièce après un certain nombre de passes et, dans un second temps, tenir compte des possibles défauts détectés en transmettant à la machine des actions correctives. Elle sera ainsi capable de produire des pièces précises, sans intervention externe et sans mesure complémentaire, ce qui apportera fiabilité et gain de productivité. Le système optique développé par HEPIA est une tomographie par cohérence optique (OCT). L’intérêt est son encombrement réduit et sa relative facilité d’intégration aux éléments existants utilisés pour l’usinage par texturation. Une résolution ciblée de 3 µm a d’ores-et-déjà été atteinte. Notre système et principe de mesure utilisés diffèrent des systèmes mentionnés dans la littérature par l’utilisation d’une source de mesure dont la longueur d’onde est identique à celle de la source d’usinage, ce qui en fait son originalité. Les avantages sont la réduction des aberrations de mesures (on vient mesurer exactement là où le laser d’usinage a frappé) et l’affranchissement du miroir dichroïque. Un spectromètre avec une caméra InGaAs intégrée a été mis en œuvre. L’analyse et le traitement des images sont réalisés par MATLAB.

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Valorisation Écriture d’un article et présentation du concept lors de la prochaine conférence ISEM qui se tiendra à Zürich en 2022. Si l’article est accepté, il sera publié dans la revue Procedia CIRP, éditée par Elsevier. Contacts avec GF Machining solutions pour une demande de projet Innosuisse. L’objectif sera d’intégrer ce système à la machine, en vue d’une solution proche d’une version industrielle.

Equipement particulier • • • • •

Spectromètre Wasatch Photonics, modèle Cobra 1300, longueurs d’ondes 950–1450 nm, caméra intégrée Sensors Unltd, GL2048R Carte d’acquisition National Instruments, modèle PCIe-1433 Lentille F-Thêta de Thorlabs, modèle LSM02-BB Convertisseur numérique-analogique DAC8803EVM de Texas Instruments Galvos GVS002 et driver GPS011-EC de Thorlabs

Légendes 1 - Banc de test permettant la mesure par OCT. © HEPIA 2 - Profil scanné d’une marche de 5 µm de l’échantillon, les lignes rouges indiquent la différence de niveau. © HEPIA 3 - Exemple de textures effectuées par laser. © HEPIA

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inSTI TEEROC In vitro Bio-Impedance Measurement Device applied on a dynamic Lung-OnChip model Grégoire Bouiller, Jean-Luc Bolli, Adrien Roux

Brief description TEEROC (for TEER-On-Chip) is a full spectrum impedance device composed of two printed circuit boards (PCB). The first one contains the intelligence and measurement electronics, based respectively on a STM32 microcontroller and the Analog Devices’ spectrum analyzer AD5933. The second one called “Lid” is the interface between the electronics and the biologist well plate. Using multiplexers, we can perform a sequential acquisition of TEER on 12 wells mimicking the dynamics of the in vitro lung.

Key points The choice of designing the device in separate blocks allows the measuring PCB to be used for other geometries such as well plates. This provides the user with a flexible measuring system that can be adapted to standard biological equipment. In addition, the choice of integrating the AD5933 chip from Analog Devices allows a considerable reduction in the price of this technology, making TEEROC a cost-effective in-house device. For communication, we used USB-C or Bluetooth. The energy is provided by a battery.

Printed circuit boards used to measure in vitro bio-impedance. © HEPIA

Bio-impedance measurement is a technique used to evaluate the integrity of a single layer of epithelial cells. As the cells are immerged in a conductive growing medium, the measurement can be done by applying an alternative voltage through the barrier, thus observing the induced current and deducing the electrical impedance of the cell monolayer. Such non-invasive method is used to study the impact of drugs on the single-layer characteristics by evaluating its integrity. This study is the result of a collaboration between HEPIA’s Tissue Engineering Lab and the Bern-based start-up AlveoliX. Both laboratories share the same interest in TEER device development and the design of a robust, reliable home-made instrumentation. The developed system is a full spectrum impedance measurement device based on the system-on-chip AD5933 by Analog Devices. The ability of the AD5933 to generate peak-to-peak excitation voltage to a maximum of 100 kHz, thus measuring an impedance range from 1 Ω to 10 MΩ makes it a perfect fit for our application. Two boards have been redesigned during the project: the first one contains the electronics for the measurement, control, communication and powering, as opposed to the second one, which only acts as the interface between the electronics and the wells containing the cells. The measurement is achieved with a pressfit two-point electrode system designed in a previous project. Project partner: Janick Stucki, AlveoliX AG, Bern

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Output This jointly developed in vitro bio-impedance measurement device will be valorised by HEPIA and AlveoliX. Alveolix will use this technology for its specific in vitro lung model and HEPIA will continue to work on the technology for other cellular barrier models.

Special equipment In this project, HEPIA used interdisciplinary expertise such as electronics and biology (in vitro cellular models).

Legend 1- S tainless steel electrodes submerged in the cell-culture medium. © HEPIA 2 - Visual indicators of the cell-culture wells under measurement. © HEPIA 3 - Application of the system on Lung-OnChip well plate (AlveoliX AG). © HEPIA 4 - Printed circuit board rendering of the TEEROC system. © HEPIA

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inSTI DelocPro Innosuisse project Real time Machining process control and machine learning in an IoT industrial system Nicola Giandomenico, Harley Stoeckli

Brief description New possibilities offered by high-speed connectivity, machine learning and neuronal powerful chips with tremendous processing capability make it possible to consider new industrial control systems to meet specific requirements such as those of the aerospace or medical markets, which have high quality and traceability needs. Design of a neuromorphic board

This project addresses such challenges by setting up a new real time process control system based on fast neuromorphic chipsets at the EDGE, enabling real time recognition of defects with artificial intelligence algorithms and closed-loop to machine controllers. Contrary to current adaptive ones, such a system allows the automated build-up of knowledge from historical databases and the set-up of optimum control in complex, non-linear operation domains, integrating multiple variables. Moreover, it also provides means for preventing defects in real time and incorporating new information from changing conditions.

Key points Key challenges in aerospace and medical component manufacturing are : the lead-time for setting up machining strategies and the high costs of quality controls required for delivering parts avoiding failure during operation. Such challenges relate to the fact that extensive manual operations and human expertise are actually required for tuning optimum settings. In addition, the machining park cannot be monitored with static strategies for preventing their drift towards states where anomalies happen.

The research will focus on two key technologies of GF Machining Solutions : the electro-erosion (EDM) and the high-speed Milling. In this project, we will analyze key process variables and design adapted “machine learning” algorithms for implementation in a neuromorphic chipset, integrated in an EDGE board with a real time link to the machine controllers. For EDM, we will exploit existing high frequency sensors that record discharge features and environment parameters, whereas Milling will use a highly sensitive vibration sensor. The data will be sent wirelessly through a high capacity prototype and a low latency 5G system.

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inSTI Development of Intracortical Probes (Geneva Electrode Array) First steps towards novel 3-D glass-based intracortical microelectrode arrays intended for long-term implantation into Human Marc Heuschkel, Flavio Mor, Adrien Roux, Luc Stoppini

Brief description The current generation of intracortical microelectrode arrays presents reliability issues after implantation, resulting in degradation of performance. In this project, we have developed a novel glass-based intracortical electrode array named Geneva Electrode Array (GEA) for longterm implantation. It is the result of the combination of recent 3-D glass printing microsystem technologies and an electrical functionalization by inserting and sealing conductive metal wires within its hollow tips.

Key points Intracortical probes : • Based on glass substrates presenting good long-term stability within biological environment. • Platinum/Iridium electrodes allow excellent brain activity monitoring characteristics. • First probe insertion tests showed implantation capabilities without any probe damage. Probes characterization platform : • In vitro electrophysiology platform using 3-D neuronal tissues derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC) to check for neural activity recording capabilities.

Geneva Electrode Array, a novel glass-based intracortical MEAs functionalized with Pt/Ir metal wires

Nowadays, human grade intracortical microelectrode arrays such as the Utah Array (current gold standard) present reliability issues during shortterm implantation. The developed glass probes are made of an array of hollow glass shanks (capillaries) that were designed and commercially manufactured (FEMTOprint SA, Switzerland). Different shapes at the end of the glass shanks have been realised. To be able to use the probes as an electrode array, the glass shanks need to be filled with Pt/Ir metal wires. The obtained probes have been tested in vitro for their functionality using human stem cells derived 3-D neuronal tissues. Results were compared to Utah Arrays showing that the electrode noise level and the obtained signal to noise ratio are in the same range. To investigate the probes implantability capabilities, insertion tests into agarose samples have been carried out using a push/pull test equipment. The Utah Array shanks being very sharp and smaller in diameter, the resulting measured insertion force necessary to penetrate the agarose samples on its full length was the smallest of all tests. GEA glass probes with bevelled glass shanks presented the best GEA results due to their sharp shape at their extremities. Novel glass-based intracortical probes have been electrically functionalized and successfully connected to a data acquisition system. Its electrophysiological measurement characteristics are similar to currently commercially available intracortical probes. Nevertheless, the required force for insertion of the glass-based probes are higher due to the large shank diameter, making it a little bit more difficult to implant. Despite these encouraging results, further characterisation about probes aging behaviour as well as further technical improvements still need to be achieved.

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Output This work has resulted in a filed PCT patent : PCT/IB2020/050543, Tissue Access Device, 23 Jan 2020. The authors wish to thank Jorge Herrera Morales and Alain Woodtli from the Wyss Center, Geneva, Switzerland for their technical and project managerial contributions to our work. The authors thank the Wyss Center, Geneva, Switzerland for funding this project.

Special equipment Legends 1 - Three GEA shank shapes compared to a Utah-Array probe (4x4 layout with intershank pitch of 400µm) 2 - Insertion test curves (1) of the chamfered GEA glass probe (3) in 5% agarose fantom (2) 3 - View of in vitro microelectrode array testing platform for tissue assessment used to test the GEA probes (1) 4 - GEA insertion test into Human 3D neuronal tissues (2) on MEA testing platform (1). The penetration pattern of the 4x4 probe remains visible in the tissue (3) 5 - Example of a neuronal signal recorded with the GEA probe functionalized with Pt/ It wires 6 - GEA assembly : 1. connector 2. adapter printed circuit board, 3 flexible polyimide cable, 4. GEA probe

• An in vitro electrophysiology data acquisition platform, a homemade system developed by HEPIA. • A push/pull test equipment from ZwickRoell, Ulm, Germany. • A welding laser setup available at Wyss Center, Geneva, Switzerland.

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inSTI GEVE Ventilator Emergency ventilator to fight COVID-19 Nicola Giandomenico

Brief description How did HEPIA reply to the HUG request to produce an Emergency Ventilator in an extremely short delivery time ? By gathering the necessary multidisciplinary engineering expertise to automate a manual ventilator, commonly used by emergency services to transform it into an autonomous ventilation system. GEVE prototype overall system

Key points The COVID-19 epidemic is spreading at an alarming rate, with the risk of specific medical material shortage. This is especially the case for the invasive ventilators used to help sedated patients to breath. In order to respond to the extreme urgency of local needs, HEPIA studied and developed in less than 3 weeks a simple and reliable invasive ventilator for respiratory assistance of intubated patients.

HEPIA set up a team of professors and research assistants in the fields of design, mechanics, automation, electronics, IT... but also integrated into this team the start-up ANGARA Technology; specialized in measurement, control and automation. For reliability and timing reasons, the team decided to start from industrial equipment, rapidly available, and above all extremely reliable in terms of operation and lifespan. Under time constraints, the team studied various technical possibilities and the one that quickly emerged was: the automatization of AmbuBag manual fans. The system is managed by an Arduino-type microcontroller, with 3 useradjustable parameters as input: the number of breaths per minute BPM, the volume of air VT (in liters) and the IE inspirations / expirations ratio. These parameters are adjustable thanks to physical potentiometers. In addition, the pressure measurement is monitored as close as possible to the patient. At all times, the setup of the operating diagnostic signals and other parameters are measured, to check if everything is working correctly. If a fault is detected, an alarm is triggered and a command to the motor is sent in order to release the AmbuBag. After that it can be activated manually. A small display is used to indicate the parameters set up driven by the potentiometers and the measured pressure. The system also displays the «plateau pressure» between inspiration and expiration, necessary for diagnosis. An informatic communication through a USB connector allows a graphical interface on a computer. This interface developed in LabVIEW environment allows the visualization of different parameters such as the instantaneous pressure, the plateau pressure, the motor position,… as well as the graph pressure. Note that this interface is optional and that stopping or starting can be done at any time without interfering with the operation of the system. Project leader : Prof. Nicola Giandomenico. Have made an exceptional contribution to the project : Harley Stoeckli (HEPIA), Bassem Sudki (HEPIA), Antoine Benoit (Angara), Ralf Rossel (Angara). HEPIA : Prof. Stéphane Bourquin, Florian Chays, Prof. Michel Lauria, Prof. Gilles Triscone.

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Output This development was made at the preliminary request of the HUG (Hôpitaux universitaires de Genève), in the case of an urgent need, but the device was not used. • ICT journal, 16.04.2020 : www.ictjournal.ch/articles/2020-04-16/ageneve-professeurs-et-assistants-creent-des-respirateurs-de-fortune-en • Link HEPIA : www.hesge.ch/hepia/recherche-developpement/projetsrecherche/en-cours/ventilateur-durgence-lutter-contre-covid-19

Special equipment Partenaires : • Hôpitaux universitaires de Genève (HUG) : Dr Georg Ehret • ANGARA Technology : Antoine Benoit, Gary Boorman, Adriaan Rijllart, Ralf Rossel • Société SMC for the linear motor and the driver : Pierre-André Borne, Joël Faivre • 3D parts printing : Michael Jaussi

Legends 1 - Mechanical architecture modeling 2 - Ambubag and test lung 3 - Control Box 4 - Monitoring

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inSTI Intrinsic cooling of high performance micro cutting tool ICO-CUT, an Innosuisse project in collaboration with Eskenazi SA, Carouge Georg Wälder

Brief description Eskenazi SA is a Geneva-based company specialized in the manufacture of cutting tools for precision mechanics. In collaboration with HEPIA and with the help of Innosuisse funding we have developed a highperformance hard metal microendmill with central cooling. A pico-second laser type drilling was used to produce a precise hole and to avoid weakening the base material by thermal impacts. Cutting performance and tool life are significantly increased by this central lubrication compared to conventional external flushing.

Key points A new production method has been developed to manufacture hard metal cutting tools with a diameter of the order of millimeters with a central hole for lubrication and cooling. Three lateral exhaust channels with diameters of the order of hundred micrometres are produced using a pico-second laser. The entire geometrical design of the tool is based on a complete CFD (Computational Fluid Dynamics) study. Thanks to this intrinsic cooling and production method, the tool lifetime is increased by a factor of 4 and the quality of the machining surface is improved compared to « conventional » tools.

CT-Scan of a laser drilled hole in a ø 1.0 mm hard metal milling cutter

Fluid simulation: cutting liquid at the cutting edge of fast turning milling tool

The cutting tools are the key element in any milling process ; they determinate the process performance and the quality of the machined pieces. From environmental point of view and manufacturing cost, dry machining is better, but some mechanical pieces cannot be actually produced without lubrication fluid. In fact, the machining process needs to inject the cutting fluids as close as possible to the machining area between the tool and the work piece for chip evacuation, lubrication and cooling. Usually it is the case for small precise metallic pieces with high surface quality. Today, the fluid is usually injected by adjustable nozzles, but new developments inject the fluid through the spindle, tool holder and finally through a central hole in the cutting tool. But this approach is limited to large diameter tools (> 6 mm). In addition, there is no individual lubrication of cutting edges of the tool, which would require several holes (or a central hole with several “outlets”). For small diameter tools (< 3 mm) no solution is available to lubricate the cutting edges individually. The best technology uses intrinsic channels end at cone of the shank, well before the active cutting part. Here, lateral holes of a diameter of about 0.1-0.3 mm are required. Position, diameter, shape etc. of such holes need to be optimized by CFD and results to be validated by experimental tests. Drilling such tiny holes at precise locations with well-defined directions represents several challenges. Due to its hardness it is difficult to machine the cutting tools by conventional methods. Electro-Discharge Machining (EDM) or conventional LASER could make the job, but thermal input may create micro cracks. These cracks will reduce the tool lifetime due to the forces created at high rotation speed of about 20’000 rpm and fluid pressure higher than 120 bars. To avoid these micro cracks, an ultrashort pulse LASER system was implemented which allows cold ablation and excellent surface finishing. Project output : • A publication “Laser drilling of micro-holes in cutting tools” was accepted and will be presented at the 20th CIRP conference on Electro Physical and Chemical Machining, ISEM 2020 in Zürich • EU-Patent request No. 19175938.9 submitted on Mai 22, 2019 • Currently Eskenazi SA evaluates different commercial laser systems and plans to present the new products on tradeshows and will soon propose the new product range.

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inSTI NuiSoCERN Vers une gestion optimisée des émissions sonores à l’échelle d’un site industriel Romain Boulandet, Axel Baxarias, Gilles Triscone Avec la collaboration de Lucas Martinez et Alain Dubois

Descriptif Le but du projet NuiSoCERN est de développer une méthodologie globale pour une gestion optimisée des émissions sonores des installations techniques nécessaires au programme expérimental du CERN. La démarche mise en œuvre, combinant mesures in situ et simulations numériques permet d’une part une surveillance dans le temps de l’exposition au bruit en limite de propriété et, d’autre part d’établir des recommandations acoustiques sur l’aménagement de nouvelles installations. Cartographie sonore calculée

Points forts • modèles numériques calibrés à partir de mesures pour prévoir l’impact acoustique de nouveaux équipements sur le voisinage, • niveaux sonores géo-référencés dans une base de données détaillée (conditions atmosphériques, état de fonctionnement des équipements) et actualisée annuellement, • utilisation d’un SIG (système d’information géographique) pour une restitution cartographique fine des nuisances sonores.

Le bruit représente une source de nuisances pour une majorité d’individus qu’ils résident en zone urbaine ou rurale. Les personnes exposées quotidiennement au bruit incriminent principalement la circulation routière et le voisinage, mais aussi le trafic aérien et ferroviaire, les chantiers de construction et les activités industrielles. De simple désagrément, le bruit peut devenir une réelle source de stress, perturber l’organisme et entraver la communication, constituant alors un problème de santé portant atteinte à la qualité de vie. L’urbanisation croissante de la région de Meyrin et du Pays de Gex fait que des zones nouvellement urbanisées se rapprochent inévitablement des sites du CERN. En prévision de nouveaux aménagements et dans un souci de préserver la tranquillité du voisinage, une collaboration a été engagée entre l’unité « Health & Safety and Environmental protection » du CERN et HEPIA afin de mieux contrôler les émissions sonores. Cette collaboration a abouti à la mise en œuvre d’une méthodologie de suivi à long terme de l’exposition au bruit liée aux chantiers et autres activités des différents sites, intégrant notamment : • la surveillance annuelle des niveaux sonores collectés en limite de propriété sur des périodes réglementaires (jour et nuit), • la cartographie sonore de chaque site pour localiser et hiérarchiser les sources de bruit par bandes de fréquences, • la caractérisation in situ par intensimétrie des niveaux de puissance acoustique des principales sources de bruit, • le relevé systématique du régime de fonctionnement (puissance, charge) des équipements (compresseurs frigorifiques, ventilateurs, transformateurs, data centers) et des conditions météorologiques lors des campagnes de mesure, • des calculs de prédiction acoustique à partir de modèles numériques intégrant les caractéristiques des bâtiments et les puissances des sources.

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Valorisation La méthodologie développée sur un site référence est actuellement en phase de déploiement sur d’autres sites du CERN.

Équipement particulier • Sonde intensimétrique Bruël&Kjaër Type 3654 avec paire de microphones ½ � Bruël&Kjaër Type 4197, • Analyseur multivoie Bruël&Kjaër LAN-XI Type 3160 et logiciel Pulse, • Sonomètre Fusion 01dB, • Logiciel de prévision acoustique en extérieur 01dB CadnaA, • Collecteur SIG Leica Zeno 20 et logiciel ArcGIS collector.

Légendes 1 - Cartographie sonore mesurée. 2- V élo instrumenté pour cartographie sonore géo-référencée. 3 - Mesure de puissance acoustique autour d’un transformateur électrique. 4 - Intensimétrie sur une tour aéroréfrigérante.

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inSTI PACMAN Portable male fertility analysis tool based on the measurement of concentration and mobility of sperm Adrien Roux (HEPIA), Loris Gomez Baisac (HEPIA), Olivier Cuisenaire (HEIG-VD), Laura Raileanu (HEIG-VD)

Brief description The objective of this project is to design a portable low-cost device, usable outside the conditions of laboratory, allowing essential measurements of concentration and mobility of human and animal sperm. The technology developed must guarantee a standardized, reliable and rapid analysis, meeting the standards in force.

Overview of the system prototype

Key points • Measurement of concentration and mobility • Compatible with commercial sperm counting slides (Leja®) • Compatible with human or animal samples • Portable point-of-care device (handheld) • Stand alone system (battery or USB powered) • Display compatible with Laptop or Tablet screens • Low-cost • For laboratory and external use (sturdy) • Computer-Assisted Sperm Analysis (CASA) software

Human male infertility has increased alarmingly on one hand, and on the other hand, artificial insemination in farm animals has become prevalent. In this context, the PACMAN project’s objective is to design a portable lowcost device, usable outside laboratory conditions and making it possible to carry out essential measurements like the concentration and mobility of spermatozoids. The developed technology must guarantee a standardized, reliable and rapid analysis that meets the standards in force. Obviously, medical and veterinary practices will be interested in this type of equipment. To guarantee minimum cost and maximum accessibility, the device will only include the necessary optical, mechanical and electronic parts. It will be accompanied by a mobile application, on which the pre-processing and analysis of the images will be carried out. It will also allow the user to control the device and be guided through the image acquisition process. To achieve this result, we offer the following innovations: • use of lighting based on colored LEDs to allow sufficient contrast and to be able to skip or limit the stages of sample preparation; • use of pre-processing algorithms to improve the acquired images in order to guarantee a sufficient quality, enabling the analysis to determine the relevant parameters (concentration and mobility); • adaptation of existing analysis techniques and algorithms to allow operation with images acquired under the conditions of the device, in a remote location on a smartphone. The proposed solution clearly differs from similar devices existing on the market because they only allow to measure the concentration and are not certified for use in diagnostic purposes.

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Output Various applications are expected to benefit from the PACMAN project: the company AKYmed, leader in CASA software in Switzerland, will test and validate the system. The device could also be used for cell counting purposes in cell culture.

Special equipment Electronic, microtechnical and mechanical equipment Data acquisition, data transmission and data analysis

Legends 1 - Exploded view of the system prototype 2 - Pig sperm sample captured with the system 3 - Block diagram of the system

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inSTI PneuStock Développement et réalisation d’un moteur/compresseur quasiisotherme pour le stockage lacustre d’énergie par air comprimé Jacques Richard, Roland Rozsnyo, David Zieder, Flavio Noca

Descriptif Le but du projet est de réaliser un démonstrateur de conversion d’énergies électriquepneumatique et pneumatiqueélectrique destiné au stockage d’énergie sous la forme d’air comprimé dans des réservoirs hydrostatiques sous-lacustres ou sous-marins. Pour être efficace, il est indispensable que la compression et l’expansion du gaz approchent le plus possible un cycle isotherme, ce qui représente un fort challenge d’ingénierie. Sur la base d’une turbine co-rotative, nous avons développé une technologie qui permettra d’effectuer ces transformations isothermes ou quasiisothermes.

Points forts Pour nous affranchir des énergies fossiles et recourir aux renouvelables, il est indispensable de pouvoir disposer de solutions de stockage énergétiques durables à grande échelle. A cet égard, le stockage d’air comprimé dans des réservoirs hydrostatiques sousmarins présente l’avantage d’un bilan environnemental très favorable. Dans un Etat comme la Suisse qui compte de nombreux lacs, cela représente une capacité de stockage gigantesque et répartie dans tout le pays. La technologie de compression/expansion quasi-isotherme devrait être une innovation majeure pour réaliser ce type de stockage.

Banc d’essai du moteur/compresseur quasi-isotherme : 1er étage © JR/HEPIA

Dans cette recherche appliquée, nous allons optimiser le moteur/compresseur quasi-isotherme scroll co-rotatif développé par Enairys en partenariat avec l’EPFL avec pour objectif de proposer une solution industrialisable et techniquement adaptée au stockage d’énergie par air comprimé. Le travail a été décomposé en différentes tâches que sont : • l’étude et la simulation de l’injection d’eau dans la turbine scroll co-rotative ; • l’optimisation de la turbine scroll co-rotative existante constituant le 1er étage du système (1-4 bars) et la conception d’un système d’injection optimisé ; • la validation et l’expérimentation du 1er étage (1-4 bars) ; • la conception et la fabrication du 2ème étage (4-16 bars) ; • la validation et la mesure des performances du système complet.

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Valorisation Le financement du projet est assuré par un chèque Innosuisse, une subvention SIG (Fonds Vitale Innovation), la participation d’Enairys, et des fonds propres d’HEPIA. Les résultats du projet permettront d’élaborer véritablement une installation industrielle pilote de stockage d’énergie dans les fonds du Léman. Les résultats feront également l’objet de publications scientifiques (telles que conférences IRES 2021 Düsseldorf et ICBEST 2021 Rome). Cette recherche appliquée est également l’un des projets emblématiques du Fonds Vitale Innovation des SIG et à ce titre fait partie intégrante de leur communication.

Équipement particulier Le Banc d’essai est installé au sous-sol du laboratoire d’hydraulique d’HEPIA ; à cet effet, des travaux sur le réseau d’air comprimé et électrique du laboratoire ont été nécessaires. Légendes Principe de compression de poches de gaz dans une turbine scroll co-rotative : 1 - Nombre de tours : 0 2 - Nombre de tours : 1 3 - Nombre de tours : 2 4 - Nombre de tours : 2.5 5 - Nombre de tours : 3 6 - Nombre de tours : 3.25

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inSTI Soufflerie Digitale Un instrument pour tester et certifier des drones en conditions de vents et de météo réelles Flavio Noca, Guillaume Catry

Descriptif HEPIA a développé un simulateur de vent et de météo afin de tester des drones dans des conditions atmosphériques réelles, variées et contrôlables. Cette soufflerie, composée d’un grand nombre de générateurs de vents (pixels), permet de moduler finement la vitesse et la direction du vent ainsi que le niveau de turbulence. Son architecture ouverte facilite l’intégration de phénomènes météorologiques comme la température, la grêle, la pluie, la neige et les tempêtes de sable.

Première soufflerie digitale, inaugurée au célèbre California Institute of Technology en 2017.

Il est fort probable que les drones peupleront bientôt notre écosystème aérien pour des services dans le domaine de l’imagerie, la livraison de colis et le transport de passagers. Ils devront opérer 24h/24 dans des conditions atmosphériques quelconques, en particulier lors de situations d’urgence.

Points forts La technologie est complètement modulaire et permet d’assembler des souffleries de morphologie et de taille arbitraire, tout en maintenant un faible encombrement (comme un écran plat de télévision). Elle permet de générer des rafales et des profils de vent arbitraires, dans toutes les directions. Le drone évolue librement comme il le ferait dans son état naturel, et se trouve toujours à proximité de l’observateur. La position et le comportement du drone sont mesurés avec une haute précision.

Aujourd’hui, les techniques traditionnelles d’essai de drones sont peu fiables. Les drones sont soit testés à l’extérieur et assez éloignés de l’observateur, dans des conditions météorologiques mal documentées, incontrôlées et imprévisibles, soit bien rigidement fixés sur un support dans une soufflerie conventionnelle. Ces souffleries ont été inventées il y a plus d’un siècle par Gustave Eiffel en 1908 et Prandtl en 1909 pour accompagner et stimuler le développement de l’industrie aéronautique. Ces installations étaient destinées aux avions, qui volent dans des conditions atmosphériques relativement calmes ou sont si grands et lourds qu’ils ne sont pratiquement pas affectés par des échelles de turbulence relativement petites. Ces souffleries ne conviennent pas aux drones. Les drones sont beaucoup plus petits que les avions conventionnels et sont donc plus sensibles aux conditions météorologiques. Les vents laminaires, à faible turbulence, stables et à profil plat ne sont pas représentatifs des conditions atmosphériques rencontrées par des petits véhicules volants. Afin de résoudre les problèmes liés aux souffleries traditionnelles ou aux protocoles d’essais en extérieur, un simulateur de météo réelle a été développé par HEPIA pour tester des véhicules volant dans des conditions atmosphériques contrôlables et diverses. Ces tests peuvent évaluer et certifier la capacité d’un drone à maintenir une attitude de vol appropriée et à lutter contre les perturbations atmosphériques dans un environnement urbain ou rural.

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Valorisation La soufflerie est actuellement commercialisée par une startup d’HEPIA, WindShape, fondée et gérée par d’anciens étudiants HES, dont Guillaume Catry (CEO), Luca Bardazzi, Sergio Márquez, Nicolas Bosson et Albéric Gros. Noca F. & Catry G. 2016. Wind Generation Means and Wind Test Facility Comprising the Same, Patent Pending PCT/EP2017/064451. Noca, F., Catry G., Bosson N., Bardazzi L., Márquez S., Gros A. 2019. Wind and Weather Facility for Testing Free-Flying Drones, AIAA Aviation and Aeronautics Forum and Exposition, Dallas (Texas), 17-18.06.2019.

Equipement particulier

Légendes 1 - Les surfaces digitales de vent peuvent présenter une morphologie quelconque. 2 - Un drone vole (1) et est suivi avec précision (2) dans le vent d’une soufflerie digitale (3). 3 - Les modules peuvent être assemblés comme des briques de construction. 4 - La météo est facilement intégrable grâce à l’architecture ouverte de nos souffleries.

La technologie d’une soufflerie digitale repose sur un grand nombre de ventilateurs (environ 150 ventilateurs par mètre carré) empilés de manière arbitraire. Chaque ventilateur peut être contrôlé indépendamment et peut donc être assimilé à un pixel de vent. Cette fonctionnalité permet de contrôler avec précision les propriétés du vent généré. Le produit repose sur ce que nous appelons un module de vent — une unité composée de neuf petits ventilateurs, agissant comme une brique de construction ou un bloc Lego™. Ces modules sont conçus pour être assemblés et former des surfaces quelconques (planes ou courbes) de ventilateurs.

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inSTI Automated manipulation of biological tissues Automated positioning system of neurospheres for electrophysiology Flavio Mor, Marc Heuschkel, Jeremy Laedermann, Loris Gomez Baisac, Adrien Roux, Luc Stoppini

Brief description This project has been developed around the idea to manipulate biological tissues. Biologists can use the developed system through a user-friendly graphical user interface (GUI). It enables them not only to visualize biological tissues but also to identify them, manipulate them and place them accurately. This multidisciplinary project involving optical microscopy, fluidics, image processing and programming allows a wide range of applications in the world of bioengineering.

Key points • User-friendly graphical user interface (GUI) • Usable in laminar flow hood • Normalized well-plates compatible • Image processing • Pattern recognition • High precision positioning • Sorting by size • Design of different shapes • 4 times faster than manually • Versatile system for bioprinting (2D and 3D structures)

Customized 3D printer with a 6-well plate.

The cell culture technique is used worldwide in biological research. Laboratories cultivate different cell types for different applications that require tissue manipulation. Handling tissues is usually performed under a biological hood to ensure the sterility of the environment. Nevertheless, biological hoods do not mimic the cellular environment in terms of temperature, humidity and CO2. It is also difficult to place a tissue accurately under the hood, which usually requires microscopic verification. To overcome these issues, a system for automatic manipulation of biological tissues has been built. The system uses a customized 3D printer combined with a camera and a light source for vision, a Hamilton syringe for aspiration whereas imageprocessing algorithms allow automatic detection of different biological tissue sizes. Moreover, the whole system can operate with a user-friendly graphical user interface (GUI). Image processing algorithms employ the OpenCV library and are mainly based on boundary detection with the application of several specific filters. A calibration phase is used to detect the well-plate with its wells while a manual mode exists, if needed. Bioprinting of different shapes made of biological tissues is also possible. There are multiple applications of the system, such as dispensing and manipulation of biological tissues, bioprinting of complex 2D and 3D structures as well as sorting by size.

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Output HEPIA presented its automated manipulation system in Geneva, at the occasion of HEPIA’s Open Days 2019 and the high precision trade show EPHJ 2019. It is also used daily in HEPIA’s laboratory to place 3D neurospheres into small patches of membrane for electrophysiology applications.

Special equipment The automated manipulation system requires a laptop with multiple USB ports to work properly. The plate holder is compatible with all normalized well-plates (6, 12, 24, 48 and 96).

Legend 1 - Preparation of the small patches of membrane. 2 - Example of different sizes of 3D neurospheres in a well, filled with culture medium. 3 - Illustration of the detection of 5 small patches of membrane and its center placed in a well. 4 - Printshot of the software.

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inSTI Automated microscope for cell and tissue cultures Low cost, automated microscopy system compatible with cell culture environment Loris Gomez Baisac, Jeremy Laedermann, Flavio Mor, Adrien Roux, Marc Heuschkel, Luc Stoppini

Brief description HEPIA’s automated microscopy system allows biologists to visualize easily cells or tissue cultures placed within an incubator. Its development combines multiple technologies such as optics, mechanics, electronics and programming. Examples of applications : • Video capture of the cilia beating frequency of lung epithelial cells. • Multiple measurements in wound healing assays to study proliferation rate of the cells.

Key points • Remotely controlled system • 100% humidity and 37°C resistance • Emergency battery for safe shutdown • Raspberry Pi controlled • Wi-Fi, Ethernet or local usage • Photo or video captures • Normalized well-plates compatible • Visualization of organoid or 2D cell culture • Several applications for biologists : o Cells counting, proliferation measurements, sustainability viewing and movement tracing o Organoid electrophysiology compatible

View of the system monitoring neurospheres, remotely controlled via a laptop.

Cell culture technic is used worldwide in biological research. Biologists employ microscopy to observe either 2D cell cultures or organoids. However, removing cultures from their incubator to look at them under a microscope, induces stress and can therefore hinder their use by the biologists. To tackle this problem, we have developed an automated microscopy system. The system uses a motorized XY stage to control the position of the culture plate and a motorized Z axis microscope for the semi-automatic focus adjustment. The main controller is a Raspberry Pi using an extension board located in an enclosed box, resistant to the harsh environment imposed by incubators. The electronics are powered by a line power, while an emergency battery allows a safe power down of the micro-computer to prevent any sudden shutdowns. The software allows the user to control the system either manually, for setup and live monitoring, or automatically for scheduled and extended monitoring. Pictures and videos can be captured by the system and saved either on a USB flash drive or directly transferred through internet for further analysis. The user has the possibility to either remove or replace the diffusing part of the light source in order to improve the image quality of the subject. The applications of this system are numerous. It can be used simultaneously with other readouts such as measuring electrical activity of neurons (electrophysiology) without adding important electrical noise. The video capture is able to take up to 90 frames per second, allowing for example the measurement of the cilia beating frequency of lung epithelial cells. Measuring the proliferation in wound regeneration assays, cells counting or movement tracing are made possible thanks to the scheduled monitoring (time-lapse).

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Output HEPIA’s automated microscope for cell and tissue cultures was presented in a showroom and has led to initiate a new project in collaboration with a private company. It has been implemented within the BrainOnChip platform developed with the support of the Wyss Center.

Special equipment Legend 1 - Close-up of the optical system, based on transformed webcam, and the light source. 2 - Adapter placed on the platform allows the positioning of a 24 culture wells plate. 3 - Picture of a neurosphere on a microelectrode array during an electrophysiology measurement. 4 - Video capture of lung epithelial cells to measure the cilia beating frequency from 2Hz to 15Hz. 5 - Photomontage of two pictures representing a time course of neurons during 48 hours.

The system can be controlled either locally with a screen and a keyboard mouse combo, or remotely via TeamViewer with an internet connection (Wi-Fi or Ethernet). The plate holder is compatible with all normalized well-plates.

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inSTI MEAZURE Integrated monitoring of the in vitro Neurovascular Unit Luc Stoppini (HEPIA), Marco Mazza (EIA-FR), Yann Thoma (HEIG-VD), Aïcha Rizzotti (HE-ARC), Bruno Schnyder (HES-SO//Valais)

Brief description The main objective of this project was to develop an innovative “one step” in vitro assay technology for assessing human Blood Brain Barrier (BBB) integrity and effects on human neural tissues. This model is adapted to assess not only acute exposures to compounds but also repeated exposures (mimicking chronic treatment) to compounds, since most of central nervous system treatments require the latter type of exposures to be efficient or to show neurotoxicity.

Key points The innovative solution was to combine in a standalone device a system to measure the impedance of the barrier integrity to obtain the Trans Endothelial Electrical Resistance (TEER) and to record simultaneously in vitro the neuronal activity of neurons with a Micro-Electrode Array (MEA) unit. The novelty of this device is to combine two non-invasive measurements of the neurovascular unit, but each part of the device (MEA and TEER) can also be used independently, increasing the potential use.

Representation of the in vitro model of the Neurovascular Unit with its non-invasive monitoring

As the world’s population is aging, diseases of the central nervous system (CNS) become an increasing threat for global health as the total annual cost resulting from CNS diseases is quickly escalating. The development of drugs against CNS has one of the highest failure rates and longest development times. One reason for this poor success is that CNS drugs have to cross the blood brain barrier (BBB) before reaching the neural tissue. This complexity is worsened by the fact that there is currently no in vitro system to simultaneously test whether a substance can cross the human BBB and adequately affect the adjacent human neural tissue. The project MEAZURE addresses this problem. We have developed a device allowing the tissue engineering of an artificial human neurovascular unit (NVU), i.e. an in vitro model comprising both the neural tissue and the BBB. This device allows the simultaneous monitoring of the two components of the model and their pharmacological testing. This innovative solution aims at increasing the success rate of CNS drug development by facilitating and speeding up the drug discovery process and screening potential neurotoxic molecules present in our environment. This device combines a system to simultaneously record neuronal activity with a system to measure the blood-brain barrier permeability. A MicroElectrode Array (MEA) unit allows the electrophysiological recording of neural cultures sitting at the bottom of a standard 24-well plate and a Trans Endothelial Electrical Resistance (TEER) unit allowing the recording of the electrical impedance of a cultured BBB positioned just above. The device is a unique standalone system able to work autonomously in an incubator, data being transmitted wirelessly or stored locally within the device. The device is also versatile and amenable for MEA recording, TEER recording or both simultaneously.

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Output Our innovative integrated in vitro system has been presented in several international conferences. An invention announcement has been filed at Unitec (Technology transfer structure from HEPIA) and a process for the commercialization of the TEER device has started. This works also led to several new projects such as a collaboration with private companies (Vivent), a public institution (Agroscope), a not for profit organization (Wyss Center) and a HES-SO project (Spike on Chip).

Légendes 1 - Computer Assisted Design of the TEER device showing the cell insert inside the plate with electrodes. 2 - Picture of the TEER device with Electronic, software and cell culture plate containing the electrodes. 3- Computer Assisted Design of the MEA device showing the network of electrodes inside the well plate. 4 - Picture of the standalone MEA device (Left) and its application in a cell culture incubator (Right). 5 - Computer Assisted Design of the MEAZURE device showing the MEA and the TEER part. 6 - Picture of the prototype of the MEAZURE device to measure the TEER and the electrophysiology.

Special equipment The electronic Xilinx Zynq-7000 has been developed by EIA-FR and the know-how based on Zync architecture with this system could be implemented in other projects. The TEER device is compatible with other in vitro biological barriers such as the intestinal barrier or the respiratory epithelium.

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inSTI Micro-Electrode Array Development of an innovative in vitro electrophysiology platform for drug and toxicology screening applications Luc Stoppini

Brief description In this project, we have developed an innovative drug and toxicology screening/testing platform based on the electrophysiological monitoring of 3D neural tissues, also called “mini-brains”, derived from human induced pluripotent stem cells (iPSC) at air-liquid interface. This development has been made by the combination of in-house technologies and competences such as the culture of human brain tissues, microfabrication of Micro-Electrode Array (MEA) devices, and high-level data analysis.

Schematic of electrophysiology platform for electrical monitoring of human derived brain tissues on Micro-Electrode Array devices.

Key points

MEA based platform : • Allows non-invasive measurement of the electrical activity from the mini-brain • Allows long-term recording to study chronicle toxicity • Is standalone and wireless to avoid electrical noise Mini-brain : • Is a human in vitro biological model derived from induced pluripotent stem cells • Mimics the brain parenchyma with the presence of a mix of neuronal cells and glial cells • Can be easily generated in high quantities for highthroughput experimentation

Electrical monitoring of the tissues is achieved using Micro-Electrode Arrays (MEA) based on thin porous polyimide membranes incorporating an array of 8 recording sites per well (thin film platinum electrodes of ø30µm and spacing of 200µm) that are assembled onto a printed circuit board allowing connection to signal amplification electronics. The MEA devices are adapted to commercially available signal amplification and data acquisition systems for measurement of electrophysiological data. A user-interface has been developed for the biologist in order to have a visualization of the key electrophysiological parameters.

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Output Our innovative in vitro electrophysiology platform for drug and toxicology screening applications has been presented in several international conferences. This development has led to several new projects such as a collaboration with private companies, a not for profit organization (Wyss Center) and HES-SO projects (Spike on Chip, Micro-Perf).

Special equipment The MEA platform is compatible with commercially available WiFi data acquisition systems from MultiChannelSystems MCS GmbH, Germany and Deuteron, Israel. Legend 1 - Picture of resulting microelectrode array device composed of 4 independent recording sites with 8 recording electrodes in each. A fluidic channel is built below the electrode array. 2 - Recording area of a device having a porosity of 10%. 3- Bottom view of a bio-engineered tissue lying on an electrode array. 4 - Example of waveforms recorded during electrophysiology experiment on Human in vitro neurons.

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inSTI Micro-Perf Development of a miniaturized perfusion system for electrophysiological recording Luc Stoppini (HEPIA), Marco Mazza (HEIA-FR), Alexandra Homsy (HE-ARC)

Brief description Our lab is currently developing an in vitro perfusion used to change the medium of in vitro neuronal culture and to inject drug. This perfusion system will be compatible with the electrophysiological recording of neurons. It is composed of five parts : • Micro-electrode Array device (to measure neuronal activity). • 4 independent peristatic pumps. • Electronic board to control the pumps by Bluetooth. • Silicone tubing and tanks of liquid for culture medium, tested drugs or waste. • User friendly software. Representation of the perfusion system for a Micro-Electrode Array (MEA) device

Key points Our technology will : • Perfuse automatically the culture with fresh medium for 5 days on battery or even longer on electric current • Be controlled by a wireless technology (Bluetooth) to change the parameters. • Reduce the manipulation by biologists and therefore limit the tissue stress due to temperature change and contamination risk. • Work in a hostile environment for motor and electronic devices (37°C, 100% humidity and 5% CO2). • Be compatible with other evolutions and options (drug injection, medium sampling).

There is a growing need for volume control and liquid distribution by means of micro-pumps and/or micro-valves in the medical market and in particular in the fields of continuous drug dispensing and blood volume control during a diagnosis. Moreover, there has still been little advancement as regards one aspect of microfluidics : the creation of dynamic or stable controllable flows. These flows are however necessary for all processes involving the infusion or injection of a liquid into a system or an organism. The Micro-Perf project aims to find innovative solutions in the field of flow control, especially for applications involving microfluidics. This is particularly relevant for in vitro cells cultures which are traditionally statically realized in multi-well plates. Continuous infusion of tissue will place cultures in more physiological conditions. An integrated perfusion system will allow biologists to better control not only the quantity but also the characteristics of the culture medium that will perfuse the cells / tissues. This will allow a finer control of the cellular microenvironment.

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Output Various applications are expected to benefit from the Micro-Perf project : not only the substances perfusion into a cell culture system, as described above, but also in vivo perfusion. In addition, sampling of biological fluids for chronic or periodic analyzes is also one of the many applications benefiting from these developments. On the other hand, this project could be useful for the screening of toxic molecules, new drugs and/or nanoparticles on different types of cells.

Special equipment • Board MEA

Legend 1 - Air Pump Motor 2 - Board MEA 3 - Application control pump

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inSTI Soufflerie Digitale Un instrument pour tester et certifier des drones en conditions de vents et de météo réelles Flavio Noca, Guillaume Catry

Première soufflerie digitale, inaugurée au célèbre California Institute of Technology en 2017.

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Equipement particulier

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inSTI AZAT Le LASER à impulsion courte – une solution pour améliorer l’état de surface d’un usinage EDM Georg Wälder

Descriptif Avec la diminution de la taille des pièces mécaniques, les problèmes liés aux états de surface gagnent en importance par simple rapport géométrique. De ce fait, les problèmes de durée de vie deviennent de plus en plus critiques et des solutions en termes d’état de surface doivent être trouvées. Le projet AZAT a prouvé qu’il était possible d’ôter la « Zone Affectée Thermiquement » (ZAT) par un usinage EDM à l’aide d’un LASER à impulsions courtes.

Points forts Dans ce projet de recherche appliquée, nous avons démontré qu’un « usinage » par LASER picoseconde permet d’enlever de la matière sans créer une zone thermiquement affectée : l’ablation froide. Ainsi, il est possible d’améliorer considérablement les états de surface d’une pièce usinée par exemple par EDM à l’aide de cette technologie. Des tests mécaniques et de fatigue ont révélé que la durée de vie des pièces était fortement augmentée.

Acier W300 avec couche blanche et sans couche blanche (= enlevé par LASER picoseconde) Courbe SN : essais de fatigue : comparaison EDM – LASER

Les coupes métallurgiques des échantillons en acier W300 trempé et usinés par EDM enfonçage (une matière typiquement utilisée pour les outils de moulage) montrent bien des zones affectées thermiquement (ZAT), connues comme couche blanche. Dans ce projet, nous avons développé une technologie d’ablation par LASER picoseconde qui permet d’ôter cette zone indésirable. Nous avons démontré qu’un LASER picoseconde permet l’ablation froide en enlevant de la matière sans création d’une ZAT. Pour mettre en évidence l’amélioration de l’état de surface, la technologie développée a été appliquée sur des éprouvettes usinées par EDM en vue de réaliser des tests de fatigue par pliage. Les résultats sont très encourageants ! Nous avons en effet obtenu une augmentation significative de la durée de vie en termes de nombre de cycles ; jusqu’à 40% de plus par rapport à des éprouvettes identiques sans traitement.

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Valorisation • Présentation des résultats du projet AZAT à la conférence internationale sur l’usinage non conventionnel « 18Th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM XVIII) », Tokyo, 18-22.04.2016 • Publication : Wälder G., Richard J., Removal of the Heat Affected Zone created by EDM with pico-second LASER machining, Procedia CIRP 42 (2016), p. 475-480 (https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.02.235) • Projet CTI en préparation avec GF-MS concernant l’influence de l’usinage LASER sur la qualité de surface • Usinage d’échantillons pour la société Dupond SA • Réalisation d’un travail de bachelor

Equipement particulier Laser picoseconde : Ekspla Atlantic : max. 500 kHz, 10 ps, M2 <1.5, 8W @ 532nm, 16W @ 1064 nm Scanner : Scanlab inteliScan14i et SAM light control software

Légende 1 - Echantillon optimisé pour tests de fatigue

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inSTI Smart EDM Generator Development of a « smart » Electro Discharge Machining (EDM) Generator Nicola Giandomenico

Brief description The generator is said to be « smart » because in addition to the generation of the sparks for the EDM machining, it possesses the sparks analysis, the state machine and the process control algorithm : sparks analysis stands for counting the sparks and listing them in different categories while the principle of the process control is to vary the spark frequency, depending on the machining conditions, with a constant axis speed. This principle radically changes the way to regulate EDM machining.

Key points The generator has been developed for two purposes : • the need to produce a growing number of pieces made with materials having low electrical conductivity (for example ceramics) for markets like aerospace, medical, electronics, automotive and ICT; • the Micro-EDM-milling process which has a strong innovation potential because there is no machining technology that can perform accurate and fine detailed cavities with such a high aspect ratio.

The « Smart » EDM Generator

The generator has the functions of current and high voltage generation, process measurements, spark analysis and process control. It can count and classify the sparks and control the electro-erosion process. With traditional EDM systems, these tasks are achieved on multiples cards. In our case, all these functionalities are integrated in a single system. An innovative and flexible solution has been found for the current generation, using standard and low cost components called « Constant current regulator ». The process control novelty is to vary the spark frequency according to the machining conditions while maintaining a constant axis speed. This is radically changing the way to regulate EDM : one sets the speed and the generator varies the sparks’ frequency according to the machining conditions. The axis control is simplified and the link between the CNC and the EDM process control becomes less constraining from the point of view of real time. The machining works as follows : during the machining at constant axis speed, sparks are generated at a certain frequency and as soon as the electrode encounters a front of matter, two cases can occur : • the material front is too far, in which case the generator will lower the sparking frequency and the front of material will be closer to the electrode • on the contrary, if the material front is too close, the generator will increase the sparking frequency The frequency control is based on a real-time calculation of the time corresponding to the sparks occurring after applying the voltage. All the sparks are counted and classified in 4 different types. By knowing the number of sparks and their nature, one can calculate the electrode wear’s rate. The statistical distribution of the sparks and other parameters can be acquired and visualized by a Numerical Control via a direct Ethernet link.

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Output This development has received financial support from the Commission of Technology and Innovation (CTI 15976.1, PoliHVGEN project) and the University of Applied Sciences and Arts Western Switzerland (HES-SO, LEMM project). It has been presented during the CTI Micro-Nano Event in Fribourg in June 2017 and an article has been written for the Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM 2018) in Bilbao.

Legend 1 - Smart Generator functional diagram 2 - Integration of the Smart Generator in the Micro-EDM-Milling machine

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inSTI Clean Water Monitoring (CWM) A multi-parameter probe to monitor in real time the evolution of drinking water quality Nicola Giandomenico

Brief description Development of a multi-sensor probe able to measure 6 different parameters (turbidity, residual chlorine, temperature, conductivity, water velocity and pressure) for continuous monitoring of the quality of drinking water in a distribution network with insertion of the probe directly into the pipe without interrupting the water supply. The measured data are transferred using a low power IoT network. It has an integrated battery for a running time of at least 6 months without maintenance. The Clean Water Monitoring probe

Key points Up to now, commercialized probes did not match the selection criteria of the SIG (Geneva water, gaz and electricity supplier) due to an incomplete list of measured parameters (high cost and energy consumption and inexistent wireless data transmission). Therefore, low cost and energy consumption, easy installation, reduced maintenance and wireless communication, combined with the ability to measure multi-parameters in the specified range, represent strategic components of this innovative system.

Drinking water resource is vital for the health and well-being of human beings. Significant cases of contamination are attributable to problems in the distribution systems and are due to a rather long time between two cycles of sampling and measurement by conventional laboratory methods of control. Many parameters are continuously measured in production plants and reservoirs. But once the water leaves these facilities, its quality is only occasionally monitored by sampling and laboratory analyses. Several experimental studies indicate the need for an on-line monitoring to regularly survey the water quality. Consequently, the main challenge was to develop a multi-parameter measurement system, which has to be accurate, self-powered, installed in pipes, targeting a material cost of US$1’500, with reduced energy consumption and maintenance, installable and removable anywhere on the network without any risk of inducing pollution. The probe includes all the essential sensors, correctly calibrated, selfpowered by an integrated battery. The dispatching center receives via a wireless network (Lora) the values of water quality within the required ranges, with a high degree of precision (and alarms if the measured values are out-of-range) and for a variable acquisition data frequency. Three partners are involved in this innovative project : SIG represents the end user, the University of Applied Sciences and Arts Western Switzerland (hepia) oversees the probe development, including the sensors and the conditioning electronics and the mechanical design whereas the company OrbiWise is in charge of the development of the bi-directional wireless data transmission via the low-power wide-area network and the user interface.

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Output This project has received financial support from the Swiss Federal Institute for Gas and Water Industry (FOWA) and the Federal Office for Food Safety and Veterinary Affairs (OSAV). Other Swiss water authorities and international institutions have already shown their interest. The project has been selected and presented at the International Water Congress in Brisbane in October 2016, at the Protocol for Water and Health (UN session) in November 2016 and during the IoT Week 2017 in Geneva.

Legend 1 - The global architecture. 2 - The low consumption electronics and wireless communication.

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inSTI MAVIC La roue de vélo la plus aérodynamique Flavio Noca

Descriptif En collaboration avec l’entreprise française MAVIC, un fabricant de roues de vélos de haute performance destinées aux Jeux Olympiques et aux équipes du circuit professionnel comme le Tour de France (équipe AG2R en 2017), hepia est active depuis de nombreuses années sur l’aérodynamique de pointe en cyclisme. Aujourd’hui, grâce à cette collaboration, la roue de vélo la plus aérodynamique est sur le marché, et de nombreuses entreprises concurrentes se sont inspirées du principe.

La CXR 80 et son pneu « aérodynamique »

Pendant longtemps, il a été communément pensé que la roue de vélo la plus aérodynamique serait une roue présentant un pneu parfaitement lisse, comme utilisée sur piste. En effet, une minimisation de la rugosité du pneu permet en principe de réduire le frottement de l’air sur la roue.

Points forts En conditions de vent latéral, la roue de vélo subit un effet de « voile », permettant à la roue de bénéficier de la force du vent (comme un voilier) pour subir une force dans le sens de déplacement du cycliste et réduisant ainsi la résistance au vent.

En 2012 dans le cadre d’un projet de recherche entre MAVIC et hepia, il est clairement démontré qu’une forme présentant des rugosités peut s’avérer un atout dans le comportement aérodynamique d’une roue de vélo en cas de vent latéral. En effet, la roue de vélo, étant profilée comme une aile d’avion, agit sur la résultante du vent (la somme vectorielle du vent latéral et du vent apparent dû au déplacement du cycliste) en créant une force perpendiculaire à ce vent, que l’on dénomme communément portance en langage aéronautique. La projection de cette force dans le sens du déplacement du cycliste peut, dans certains cas, générer une traction : le vent agit alors comme sur une voile de bateau, en aidant la roue à se propulser vers l’avant. Ce phénomène est bien connu dans le cas de roues de vélo « pleines » utilisées en particulier sur piste et en absence de vent. Les roues pleines sont d’ailleurs interdites sur route à cause du danger potentiel pour le cycliste en cas de vent latéral trop fort. Au bout de quelques mois de recherche, MAVIC et hepia ont réalisé qu’une manipulation judicieuse de la rugosité du pneu sur une roue normale (à rayons) permettait d’atteindre un effet de « voile » aussi prononcé que sur une roue pleine. Les roues les plus aérodynamiques du marché, la CXR80 et la CXR60 de MAVIC, étaient nées.

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Valorisation • Flavio Noca, professeur à hepia, a révélé le fonctionnement étonnant de la roue MAVIC dans le supplément Science & Médecine du journal français Le Monde (22 juin 2016) suite à une conférence sur le sport organisée par l’Ecole Polytechnique (X) à Paris. • La roue a été filmée en action dans la soufflerie et a été le sujet d’un documentaire sur Discovery Channel (2015). • Lors du lancement de la roue de MAVIC, les journalistes des revues cyclistes du monde entier se sont réunis lors d’une conférence de presse à la soufflerie d’hepia et ont transmis la nouvelle au monde du cyclisme.

Equipement particulier

Légendes 1 - Banc d’essai pour mesures « aérodynamiques » de roues de vélo dans l’eau. 2 - Banc d’essai vélo dans la soufflerie d’hepia. 3 - Romain Bardet, 2ème au Tour de France 2016, à hepia le 17 novembre 2016. 4 - Banc d’essai pour mesures aérodynamiques de roues de vélo.

Un banc d’essai vélo a été mis au point par MAVIC avec les conseils d’hepia. Ce banc d’essai est unique au monde et permet des mesures de précision inégalée sur des roues seules ou sur des vélos entiers avec cycliste. Un banc d’essai pour des mesures dans l’eau (pour une meilleure visualisation) a été mis au point par hepia.

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inSTI RADIOBEAM A microfluidic in-vitro perfusion-cell for radio-oncological pharmaceutical testing Luc Stoppini

Brief description In collaboration with Prof Harry James Whitlow from the Ionlab-Arc and the clinician Dr. Pierre-Yves Dietrich from the Geneva University Hospitals (HUG), we have developed an in-vitro microfluidic perfusion cell for radiopharmacological testing with human neural tissue cultures that allows protonirradiation under conditions representative of the site of tumour eradication deep inside the patient’s body. This new in vitro model will be an important tool for the development of drug used in cancer therapy.

Key points The main novelties is to use ”small” MeV accelerator for 3 MeV protons instead of large 250 MeV clinical accelerator facility in order to irradiate human tissue samples in a microfluidic cell needed to speed-up the drug development in the oncotherapy field. Main innovations : • to perform drug development without the need for Ion Beam Cancer Therapy facility. • in-situ real-time studies now possible. • capability to directly study pharmaceutical effects. • no need to use human or animal models. • low-cost technologies.

Ion Beam proton accelerator.

In vitro model of brain tumours : Luc Stoppini has demonstrated that neural progenitors derived from induced pluripotent stem cells grown at air-liquid interface on porous membrane can generate 3D brain tissue-like structure. He also showed that those 3D neural tissues were functional by recording electrophysiological activities. A new in vitro approach to reproduce features of the brain tumour disease, in particular by using glioblastoma cells which is an aggressive brain tumour characterized by its high propensity for local invasion, formation of secondary foci within the brain, as well as areas of necrosis. This engineered 3D in vitro approach, will provide a relevant model to study the disease and will allow us to study the effect of proton and carbon ions irradiations to specifically induce a selective destruction of cancer cells in combination with radiosensitisers and sparing the normal brain tissue surrounding the tumour. Ion irradiation research and technology The Ionlab-Arc group focuses on work around the 1.7 MV Tandetron accelerator. The proton generated by the ionbeam will damage the DNA which in turn leads to eradication of tumours. Ionlab-Arc have developed a technical know-how on ultra-thin Si3N4 windows partly supplemented by high-resolution gas ionisation detectors. The tissue growth cassette has been designed and prototypes have been tested. We are now in the phase of the irradiation of healthy neuronal cells. The glioblastoma cells and the healthy neuronal cells have been co-cultured with success. Irradiation of this brain glioblastoma tumour in vitro model will be tested with radioprotector and radiosensitiser.

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Output Tools and method developed will drastically reduce the need for animal model testing in radiopharmaceutical drug development. Provide tools for developing tests for “after the disaster” biological dosimetry. In collaboration with clinicians like Dr. Pierre-Yves Dietrich from the Geneva University Hospitals (HUG), we will evaluate the potential cost-reduction for Ion Beam Cancer Therapy treatment by allowing lower doses and fewer fractions. Publications : Norarat R., Guibert E., Jeanneret P., Dellea M., Jenni J., Roux A., Stoppini L., Whitlow H. J. A gas ionisation direct-STIM detector for MeV ion microscopy. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 348 (2015) 58–61 Legend 1 - Protons distribution into human skeletal muscle to select the Bragg peak in the 2D ionization matrix. © H. J. Whitlow and J.F. Zeigler 2 - Adaptor and tissue growth cassette with microfluidic. 3 - Left panel : Schematic view of the cassette Right panel : brain tumor model. © Z. Nayernia

Special equipment The RadioBeam project use 1.7 MV Tandetron accelerator for the formation of ion beam. This accelerator from the HE-Arc is run by the Ionlab-Arc group, directed by H. J. Whitlow.

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inSTI Tampotronique Procédé d’impression sur des surfaces complexes pour l’intégration d’antennes et d’électroniques sur des matériaux divers Fabien Moreillon, Adyl El Guamra, Philippe Passeraub

Descriptif La fabrication de circuits imprimés nécessite traditionnellement des supports rigides plans ou flexibles spéciaux, ce qui limite leur utilisation notamment pour les objets connectés. Parmi les alternatives en développement, la tampotronique ou fabrication de circuits imprimés par procédé d’impression par tamponnage utilisant des encres spéciales est une solution prometteuse. En tant que procédé additif, la fabrication de circuits directement sur la surface des matériaux d’un objet devient possible (p.ex. bois, métal, polymère, papier, pierre, cuir,…).

Layout d’un circuit électronique réalisé par CAO (image de gauche) et fabrication du circuit sur un substrat de type bois avec des composants montés en surface (image de droite).

La tampotronique est un nouveau procédé de microfabrication par impression qui utilise un tampon comme vecteur de transport d’encre. Cette technique permet la fabrication de circuits imprimés, de capteurs et d’actionneurs par impression séquentielle de couches d’encres fonctionnelles, dont notamment des encres conductrices, diélectriques, magnétiques ou décoratives. Grâce à l’élasticité du tampon qui épouse la forme d’objets complexes, l’impression est possible sur des surfaces non planes.

Points forts • Rapidité : procédé industriel rapide et éprouvé dans d’autres applications. • Résolution : selon les matériaux, largeurs de pistes / interpistes <50µm. • Montage composants : report des composants directement sur les encres conductrices. • Forme : surface non plane aussi possible. • Impact sur l’environnement : nettement plus faible que l’industrie des circuits imprimés. • Autres fonctions réalisables : multicouche, capteurs et actionneurs.

De plus, le faible coût engendré par le système de production offre une mise en œuvre rapide et agile des prototypes, ce qui permet d’accélérer le passage entre idées innovantes et produits finaux réussis. En outre, le bon rendement en matière et le bilan écologique en font une technique compétitive dans le cadre industriel en particulier dans le secteur des produits consommables et « low-cost ». Enfin, cette approche est très prometteuse en particulier dans les domaines de l’identification, du « track and trace », etc. grâce au faible coût de fabrication et une utilisation minime d’énergie pour la fabrication, notamment d’antennes sur des supports non conventionnels en termes de matériaux et de formes, permettant ainsi l’intégration de la fonction « connectée » sur l’objet fini.

inSTI

10 mm

1 mm

Valorisation • Des partenaires industriels sont recherchés pour la valorisation de ce nouveau procédé. • Collaborations possibles avec l’Institut des Sciences et Technologies Industrielles à hepia (Genève) pour des mandats de recherche et développement pour votre application, prestations de service, prototypage, production de petite série, et assistance à la mise en place de la chaîne de production.

Légendes 1 - Impression d’antennes RFID sur substrat en bois. 2 - Circuit double couche imprimé sur membrane flexible (Kapton 25 µm). 3- Impression multicouche de « microelectrode array » (MEA) sur membrane poreuse. 4 - Montage en surface d’un composant. 5 - Circuit électronique à but pédagogique imprimé sur un substrat en papier avec divers composants montés en surface. 6 - Vue de détail des couches transparentes de la figure 3.

Dr. Philippe Passeraub

Campus Biotech

philippe.passeraub@hesge.ch Chemin des Mines 9

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inSTI Intelligence embarquée dans un poste électrique de distribution de quartier Jean-Marc Allenbach, Juan Antezana

Descriptif Les gestionnaires du réseau de distribution (GRD) suivent de près la croissance du nombre d’installations photovoltaïques au réseau de basse tension (BT) craignant l’apparition de problèmes fonctionnels et de grands coûts de renforcement. Le réseau de BT n’a pas de monitoring et de contrôle en temps réel de la part du GRD. Le déploiement des nouvelles énergies renouvelables, avec un fort caractère intermittent au niveau BT, exige que le GRD puisse connaître ce qui se passe au niveau des postes de transformation MT/BT et au-dessous.

Points forts • Réseau de mesures nécessaires et suffisantes sur le réseau basse tension (BT) • Base de données dans le poste de quartier. • Algorithmes locaux de maintien des paramètres prescrits sur le réseau BT. • Possibilité de transfert des données vers le centre de conduite et de mises à jour depuis ce dernier.

Le coeur du projet repose sur un ordinateur industriel dans le poste de quartier et un réseau de mesures sur le niveau BT. Le projet a permis de vérifier, en simulation – informatique puis dans un laboratoire électrique – que la connaissance des grandeurs physiques dans le réseau BT permettait de garantir le respect des paramètres du réseau en cas de forte pénétration de production photovoltaïque, sans nécessiter d’intervention depuis le centre de conduite. Le projet a permis d’analyser les actions par transformateur à gradin variable sous charge (OLTC), par compensateur électronique de tension en série sur une ligne (EVC) et par variation du facteur de puissance (cosPhi) au niveau de l’onduleur du producteur photovoltaïque. C’est cette dernière méthode qui présente le meilleur potentiel : on opère une correction centrée sur la ou les lignes critiques ; de plus ses coûts sont bien inférieurs à ceux des autres méthodes, et a fortiori moins coûteuse que la pose de nouveaux câbles. Par son action ciblée où la source du problème devient solution, on optimise le système (Fig. 2). Comme on fait circuler du courant réactif dans la ligne pour limiter la croissance de la tension, on veillera à produire cette puissance réactive par d’autres installations sises à proximité du poste. Avec la méthode OLTC, on agit sur tout le poste, ce qui peut pénaliser d’autres lignes. Pour le dialogue entre l’ordinateur et les onduleurs raccordés on doit utiliser le canal de communication le plus optimal en fonction de la configuration locale. Les simulations en laboratoire ont été menées à la HES-SO de Sion et les calculs de coûts à celle de Fribourg.

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Valorisation Publications et présentations : J.-M. Allenbach, J. Antezana : Conception d’un poste MT/BT intelligent en presence d’installations de production distribuées, Confrège, 4e conférence internationale (27-29 juin 2016) (Présentation à hepia, Genève).

Equipement particulier On a utilisé un ordinateur industriel avec un système d’exploitation Linux. Pour les acquisitions de mesure, on a privilégié des IED qui communiquent par Ethernet. Les algorithmes de régulation ont été programmés en Python.

Légendes 1 - Poste de quartier 2 - Evolution des tensions dans 5 lignes un jour de fort rayonnement solaire. Avec réglage cosPhi

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inSTI Ecomobilité Analyse énergétique d’un tramway Jean-Marc Allenbach, Fabien Vannel, Juan Antezana, Christian Abegg

Descriptif Ce projet développe un système de relevé de la consommation énergétique effective d’un tramway exploité par les Transports Publics Genevois (TPG). Les données seront archivées et analysées : 1. Répartition de la consommation entre traction, auxiliaires et installation de confort. 2. Energie consommée annuellement, mensuellement, … 3. Variation de la puissance appelée en fonction du parcours sur une ligne et des commandes par le wattman. 4. Etude des différences de consommations selon le pilotage du wattman. 5. Identification des économies énergétiques potentielles.

Points forts • Serveur embarqué pour agréger les mesures. • Systèmes de mesure des courants, tensions, accélérations et manœuvres. • Géolocalisation du tram. • Transfert des données à un serveur distant pour traitement des données. • Analyses mathématiques et modélisation énergétique du véhicule.

Comme beaucoup d’entreprises de transports, les TPG sont soucieux de l’impact de la circulation des véhicules sur l’environnement. Ils recherchent les pistes pour réduire les consommations énergétiques. Le but du projet, commencé en mars 2016 est de mesurer de façon précises les puissances nécessaires aux mouvements, aux services auxiliaires et aux services de Chauffage, Ventilation et Climatisation (CVC). Avec les données qui seront recueillies, on peut connaître les consommations détaillées de chaque équipement et dégager des pistes d’économies d’énergie selon le comportement des wattmen ou la pertinence des directives. On recherchera ainsi quelles sont les consommations excessives de chaque élément du tramways et on pourra suggérer des recommandations techniques ou de pilotage dont l’impact est le plus pertinent. Le système géo-localise le tram, identifie ses accélérations et mesure les tensions et courants en divers points. On distingue la puissance de traction, de freinage à récupération et de freinage rhéostatique. On identifie les puissances des auxiliaires et celles nécessaire au confort des usagers. Si on associe ces variations à la position du véhicule et à sa dynamique, on pourra comprendre les raisons des variations de consommation. Les données sont récoltées par un ordinateur à distance et sont exploitées pour révéler de manière graphique les impacts de tel comportement ou de telle directive. L’innovation majeure de ce projet est de proposer aux TPG une compréhension détaillée du comportement d’un tramway selon la localisation sur le réseau et également d’avoir des informations énergétiques permettant de réaliser des comparaisons à différentes époques, charges de passagers et également selon le comportement du wattman. Ce système est modulaire et évolutif, il permettra de s’adapter à de nouveaux besoins. Finalement, ces mesures écologiques auront aussi un impact économique favorable à l’entreprise : l’énergie qu’on évite de consommer sans diminuer la qualité de la prestation est une dépense de moins.

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inSTI Photovoltaïque organique La nanotechnologie au service de l’énergie de demain Marc Jobin

Descriptif Nous développons une activité de Ra&D dans le domaine du photovoltaïque organique. Nous recherchons surtout à intégrer des matériaux nanostructurés tels que les points quantiques pour augmenter le rendement de conversion énergétique, ou des couches sol-gel, dont les coûts de fabrication sont très bas.

Points forts • Installation d’une double boîte à gants avec évaporateur thermique intégré. • Fabrication de cellules solaires organiques P3HT/ PCBM, avec ou sans « quantum dots ». • Développement d’un système original de mesure d’efficacité quantique de conversion photo-électrique. • Utilisation de nanocristaux « upconverter » pour augmenter l’efficacité dans l’infra-rouge.

La technologie OPV (organic photovoltaic), très récente, est prometteuse en termes de coût de fabrication et sera probablement la technologie de choix pour certaines applications telles que les vitres photovoltaïques. De gros efforts sont déployés de par le monde afin d’augmenter le rendement et la durée de vie de ces cellules. Les matériaux de l’OPV ne supportent pas le contact avec de l’eau ou de l’oxygène, ce qui nécessite de les manipuler dans une boîte à gants remplis d’azote : la concentration d’H2O et de O2 est alors < 0.1ppm. Dans ces conditions, les différentes couches organiques de la cellule peuvent être déposées par « spin-coating » et traitées thermiquement. L’épaisseur des couches, typiquement de 100nm ou moins, doit être très constante sur toute la surface de la cellule, qui peut atteindre quelques dizaines de cm2. Nous avons pu optimiser les traitements thermiques des couches et montrer l’influence de la succession des traitements sur le rendement final. Dans un deuxième temps, nous avons également du développer notre propre système de mesure d’efficacité quantique, c’est-à-dire un système qui permet de connaître l’efficacité de conversion pour chaque longueur d’onde solaire (entre 300nm et 1200nm) Nous avons également utilisé des nanoparticules pour améliorer le rendement de cellules photovoltaïques organiques, rendements démontrés pour les trois cas suivants : • ajout de points quantiques (quantum dots QD) CdSe • ajout de couche de cristaux à effet « up-conversion » de NaYF4:Er,Yb • remplacement de la couche de transporteur de trou PEDOT:PSS couramment utilisée par une couche d’oxyde de métaux de transition (MoO3) obtenue par synthèse sol-gel.

inSTI

Valorisation Publications et présentations S. Jotterand, M. Jobin, « Characterization of P3HT:PCBM:CdSe hybrid solar cells », Energy Procedia, 31, 117 (Présentation à E-MRS, Nice), 2012. M. Jobin, C. Pellodi « Organic Solar Cells improvement with quantum dots, up-converters and MoO3 hole transport layers » Proc. SPIE 9140, 914008-2. (Présentation à SPIE Photonics Europe, Bruxelles), 2016.

Légendes 1 - La boîte à gants constitue l’environnement sec nécessaire à la fabrication de cellules solaires organiques. 2 - Le simulateur solaire permet de reproduire fidèlement la radiation solaire afin de tester de façon réaliste les performances des cellules solaires. 3 - Les nanocristaux permettant de convertir la lumière infrarouge en lumière verte (visible sur la photo) sont analysés dans un cryostat optique. 4 - Spectre de photoluminescence des nanocristaux upconverter, à température ambiante (300K) et à la température de l’azote liquide (77K).

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inSTI CleanCity Drone Développement d’un drone pour la mesure de la pollution en milieu urbain Patrick Haas

Descriptif Sur la base d’une plateforme de type hexa-coptère produite par la société fly-n-sense, hepia développe un drone de mesure de la pollution urbaine. Il s’agit d’un aéronef capable de se stabiliser de manière précise en un point de la ville et de mesurer les niveaux de pollution.

Points forts • Le drone hepia est un système capable de réaliser une trajectoire programmée avec une précision inférieure au mètre. Il est muni de capteurs de particules fines PM10, d’ozone et de NO2. • Il complétera les mesures réalisées actuellement au sol par les spécialistes des organes de l’Etat. De plus, sa capacité à effectuer des mesures à des altitudes allant jusqu’à 200 mètres permet d’offrir une meilleure compréhension des phénomènes physiques liés au climat urbain.

La problématique des études de diffusion de polluants en milieu urbain se heurte difficulté de pouvoir mesurer à l’aide de techniques connues et fiables, la teneur en particules fines PM10, ozone et NO2 de l’air que nous respirons. A cet effet, hepia a instrumenté un drone commercial qui permet de réaliser des cartes géographiques de la concentration des polluants mais aussi des profils de température, de pressions atmosphériques, de vents, etc. Elles permettront de comprendre la diffusion des polluants non seulement proche du sol, mais également à faible altitude. Le système est utilisé pour réaliser des mesures dans des quartiers de la ville. Il permet également dans le cadre d’études par simulations numériques de renseigner et préciser les paramètres physiques qu’il faut imposer aux frontières (conditions-limites). Les spécialistes de la mesure des polluants utilisent depuis de nombreuses années des appareils qui ont fait leurs preuves et mis au point des procédures d’échantillonnage. Ces méthodes ne peuvent par contre pas être utilisées telles quelles car les masses des systèmes de mesure utilisées ne sont pas compatibles avec les charges utiles d’un drone. L’équipe de recherche a donc du revenir sur les choix faits il y a quelques années et valider d’autres instruments de mesure. Des méthodes par absorption optique, ainsi qu’un système de mesure des particules fines fonctionnant par réfraction et développé par le CNRS, ont été mis au point. Ces systèmes ont nécessité une validation longue et minutieuse. Aujourd’hui, hepia possède un aéronef capable de mesurer ces grandeurs et a débuté une campagne de mesure extensive des polluants dans le quartier des Pâquis à Genève. Ce quartier a été choisi comme étant représentatif d’une problématique urbaine typique.

inSTI

Valorisation • Le drone est actuellement en cours d’utilisation dans des quartiers de la ville de Genève. Il réalise des analyses permettant la réalisation de conditions aux limites pour un projet de simulation de la diffusion de polluants en milieu urbain. • Les développements de ce projet ont été présentés à la conférence Applied Aerodynamics Conference de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) à Atlanta en juin 2014. • Une thèse de Master de l’Université de Bologne, de l’UPMC (Paris 6), ainsi que deux travaux de Bachelor hepia ont été réalisés sur cette thématique.

Equipement particulier Aéronef

Six rotors contrarotatifs 3 par 3 Charge utile 1.2 Kg Masse totale max. 3.5 Kg

Système de mesures

PM1 O3 NO2, NO, NOx

Légendes 1 - Le drone hexacoptère hepia muni de la nacelle de mesure des particules fines PM10 développée par le CNRS. 2 - Etude aérodynamique dans la grande soufflerie hepia-cmefe. 3 - Vol avec une nacelle de mesure. 4 - Etude aérodynamique par simulation CFD, hepia-cmefe. 5 - Mesures de PM10 dans un quartier de la ville de Genève.

LOAC Absorption à 254 nm Absorption à 405 nm des NO2

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inSTI CLOVIS Un implant à géométrie variable pour les fractures du fémur proximal Eric Vittecoq

Descriptif Les fractures du fémur proximal (plus communément appelées du col du fémur) se traitent à l’aide d’une prothèse (remplacement de l’os) ou d’un implant (conservation du capital osseux). Ces derniers sont les plus utilisés dans les cas d’urgence, mais posent de nombreux problèmes en particulier chez les personnes âgées (fracture secondaire, défaillance de l’implant, mauvaise stabilisation de la fracture). Le but de ce projet est de concevoir un implant original, minimisant ces problèmes.

Points forts En comparaison avec les implants actuels, CLOVIS offre : • une sollicitation plus faible de l’implant, d’où un moindre risque de défaillance. • une meilleure sollicitation de l’os et du foyer de fracture • une meilleure stabilisation de la fracture. • un réglage continu de l’angle céphalo-diaphysaire et de la longueur de la vis céphalique. • une plus faible invasivité (deux incisions de moins de 5 cm). • une plus grande liberté pour le chirurgien (réglage peropératoire). • un plus faible nombre de références (4 contre plusieurs dizaines).

Le projet CLOVIS a débuté en 2010, à l’aide d’un financement InterReg. Il associe deux partenaires universitaires (l’université de Savoie pour la France et hepia, HES-SO pour la Suisse) et deux partenaires industriels (Tural pour la France et Chirmat pour la Suisse). Le but de ce projet est de proposer un nouvel implant pour le traitement des fractures dites « du col du fémur », adapté aux os ostéoporotiques. Actuellement, le traitement en urgence de ce type de fracture se fait quasi exclusivement en utilisant une vis traversant le col (dite vis céphalique) associée soit à un clou centromédulaire, soit à une plaque externe. Dans les deux cas, un grand nombre de taille et d’angle cervico-diaphysaire (angle entre la vis et l’axe du fémur) doit être disponible en stock dans chaque hôpital pour s’adapter au patient. L’idée de base du projet était de concevoir un implant modulaire, utilisable aussi bien en configuration intra qu’en configuration extramédulaire, et dont l’angle cervico-diaphysaire serait réglable, ce qui permettrait de passer de plusieurs dizaines de références à quelques-unes. Une étude numérique (à l’aide du logiciel ABAQUS) et expérimentale (os cadavérique sur banc d’essai spécifique) des deux types d’implants actuellement les plus utilisés (clou Gamma et plaque DHS) a soulevé un certain nombre de faiblesses au niveau de la tenue mécanique, faiblesses d’autant plus importantes que l’os est de mauvaise qualité. Un implant polyvalent n’ayant que très peu de chance de pouvoir faire mieux que des implants spécifiques développés depuis de nombreuses années, le projet a très vite été réorienté vers un implant à la fois intra et extramédulaire, en conservant l’idée d’un angle cervico-diaphysaire réglable. L’implant est constitué de deux pièces principales, une vis céphalique (expansible dans la dernière version) et une pièce dont une partie, rigide, pénètre dans le canal diaphysaire, et dont l’autre, elle aussi rigide, constitue une plaque externe. Ces deux parties sont reliées entre elles par une lame déformable, ce qui permet de régler leur position relative et donc l’angle cervico-diaphysaire. Cet implant a été baptisé CLOVIS. Différentes versions ont été conçues, étudiées numériquement et expérimentalement sur os synthétique puis cadavérique. Ces résultats ont confirmé que les sollicitations aussi bien de l’implant que de l’os fracturé étaient meilleures que celles obtenues avec les implants actuels. Un matériel ancillaire spécifique a été développé, et la technique opératoire validée. Elle est comparable en terme d’invasivité, de complexité et de durée d’opération à celle mise en œuvre pour les implants actuels, et offre plus de liberté au chirurgien, qui peut régler l’implant en continu (angle cervico-diaphysaire et longueur de vis céphalique), éventuellement en peropératoire. Une analyse de risque va maintenant être entreprise, pour permettre d’aborder la phase des essais in-vivo, et si elle est concluante, celle du marquage CE.

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Valorisation • Brevet Suisse (2012CH-00725), Européen (EP 2 644 142 A1) et USA (US 201 302 61 622). • 1 thèse soutenue (Rémi Billard, février 2014). • 5 conférences internationales (ICSM2012, Euromech534, Photomechanics 2013, SSOT 2013 et 2014). • 10 conférences invitées.

Equipement particulier • Un banc d’essai de compression portable de capacité 5’000 N • 2 caméras rapides (100’000 images/seconde)

Légendes 1 - Différents prototypes réalisés. 2 - Description des différentes parties de CLOVIS. 3 - Positionnement de CLOVIS dans le fémur. 4 - Outillage « ancillaire » nécessaire à l’implantation. 5 - Implantation de CLOVIS en laboratoire d’anatomie. 6 - Radio de contrôle post implantation.

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Fiche 1 IOM Microscopie interférométrique Marc Jobin

Descriptif Nous avons développé un microscope interférométrique (IOM) versatile permettant de répondre à de nombreux besoins de caractérisation de surfaces. Plusieurs fonctionnalités y ont été ajoutées au fil des projets, permettant par exemple de réaliser des films démontrant l’évolution de la topographie d’une surface à l’échelle nanométrique, ou de mesurer la déformation de membranes sous contraintes mécaniques. Le microscope est aussi beaucoup sollicité pour des projets impliquant des phénomènes de frottement (tribologie).

Points forts • Résolution verticale inférieure à 1 nm. • Intégration à un microscope à force atomique. • Intégration à un nano-indenteur. • Mesure en temps réel (vidéo). • Mesure en milieu liquide.

Microscope interférométrique développé à hepia.

Dans un microscope interférométrique (IOM), l’objectif est équipé d’un interféromètre et l’échantillon est posé sur un translateur piézoélectrique extrêmement précis (meilleur que le nanomètre). Cet instrument est très utilisé dans tous les domaines industriels où il faut observer des états de surface très fins, comme par exemple les dépôts de couches minces, les techniques de polissage électrochimique ou les structurations par photolithographie. La photo ci-dessus représente un microscope interférométrique développé à hepia que nous utilisons dans toutes nos activités de recherche impliquant l’observation de topographies de surface. Les figures 1 et 2 sont des exemples de mesures pour les deux modes couramment utilisés : le mode en lumière blanche (figure 1) qui permet l’observation de corrugation jusqu’à plusieurs dizaines de microns et le mode en lumière monochromatique permettant des résolutions inférieures au nanomètre. Sur la figure 2, on voit des marches associées aux plans atomiques de carbone d’un échantillon de graphite. L’intérêt d’avoir pu développer nous-mêmes le système de mesure interérométrique est de disposer d’un instrument très versatile, tant au niveau du matériel que du logiciel. Nous avons par exemple combiné l’IOM avec un microscope à force atomique AFM (figure 3) ce qui permet d’exploiter simultanément la résolution latérale de l’AFM et la résolution verticale de l’IOM sur de grandes surfaces d’observation. De même, nous avons intégré l’IOM avec un nano-indenteur (NIND) de façon à pouvoir observer les nanodéformations de microsystèmes (MEMS/NEMS) lorsqu’on leur applique des forces mécaniques très bien contrôlées. La figure 4 montre l’intégration IOM/NIND ; l’encart montre un résultat sur une nanomembrane (épaisseur 500 nm) déformée par une application en son centre d’une force de 70 um.

Fiche 1

Valorisation Publications : • M. Jobin, R. Foschia « Improving the resolution of interference microscopes », Measurement, 41, 896 (2008). • M. Jobin, R. Foschia, « Real-Time Interferometric Microscopy in Liquids, » in Biomedical Optics, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2010), paper JMA37. Utilisation dans des projets : • Projet « PRODIM », CTI no 9252. • Projet « RC 2 », FP6 (programme européen) no 31236.

Légendes 1 - Mode lumière blanche (basse cohérence) : image de gravure SiO2/Si. 2 - Mode lumière monochromatique : image de marche atomique de graphite. 3 - Intégration avec un microscope à force atomique. 4 - Intégration avec un nano-indenteur : insert : image d’une nanomembrane sous pression.

Fiche 2 CAESAR Team sur la fusée REXUS Une équipe d’étudiants d’hepia lance une expérience de microgravité sur une fusée ESA Roberto Putzu

Descriptif Une équipe d’étudiants a été choisie pour lancer une expérience de microgravité sur la fusée REXUS (Rocket EXperiment for University Students) dans le cadre d’un projet didactique de l’Agence spatiale européenne (ESA). Les étudiants, soutenus par des professeurs de l’école et dirigés par un comité d’experts d’ESA, devront conduire l’expérience à travers toutes les phases d’un projet spatial : de l’acceptation au lancement.

CAESAR Team, Capillarity-based Experiment for Spatial Advanced Research.

Le projet, inscrit dans un programme de recherche d’hepia sur les écoulements capillaires en microgravité, s’intéresse au comportement des liquides en apesanteur en présence d’un dispositif capillaire qui se nomme «éponge» dans la littérature dédiée.

Points forts Le projet vise à intégrer des étudiants motivés au sein d’un axe de recherche du laboratoire de mécanique des fluides de l’école. De par sa grande complexité et son envergure, ce projet stimule les étudiants en les motivant pour atteindre un objectif ambitieux. Par ailleurs, ce projet renforce les liens personnels au sein du groupe et contribue à la mise en valeur de leurs compétences propres afin d’atteindre un objectif scientifique commun. Scientifiquement, le projet vise à récolter des données expérimentales impossibles à obtenir en environnement gravitationnel.

Le programme de recherche vise à comparer des résultats numériques et théoriques avec des données expérimentales obtenues au moyen d’essais différents. Ainsi, dans le cadre de ce projet, on s’intéressera en particulier à l’annulation de la force de gravité par la flottaison des liquides, par la lévitation magnétique et par le vol parabolique d’une fusée sonde. En ce qui concerne la flottaison des liquides, un banc de tests a été développé au sein de l’école afin de pouvoir obtenir des résultats «in situ». En parallèle, une collaboration avec le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) est prévue pour effectuer le test de lévitation magnétique. Enfin, pour compléter la base de données expérimentales présentée ci-dessus, l’équipe CAESAR (Capillarity based Experiment for Spatial Advanced Research) participera à la campagne d’essais REXUS rendue disponible aux étudiants par l’Agence spatiale européenne (ESA) avec, pour but, de reproduire en vraie apesanteur le comportement simulé en laboratoire.

Fiche 2

Valorisation Un programme de valorisation du projet est prévu : il sera présenté au grand-public dans la presse, puis lors des portes ouvertes de l’école, et également dans le cadre de présentations qui seront organisées pour les étudiants des écoles secondaires afin de les intéresser aux techniques de l’ingénieur. En parallèle, l’équipe de recherche s’engage sur le plan scientifique à rédiger des communications scientifiques, afin d’officialiser les informations qui seront acquises à l’issue de ce projet.

Equipement particulier Le programme REXUS/BEXUS met à disposition de l’équipe un moyen d’essai exceptionnel, une fusée sonde.

Légendes 1 - Cellule de test pour l’expérience de lévitation magnétique. 2 - Cellule de test pour l’expérience de flottaison. 3 - Expérience de flottaison. 4 - Une étudiante prépare un essai de flottaison. 5 - Cellule de test pour une expérience numérique. 6 - Le CAESAR Team présente l’expérience devant les experts de l’agence spatiale.

Il est réalisé dans le cadre d’un accord bilatéral entre le Centre Aérospatial Allemand (DLR) et le Comité National Suédois de l’Espace (SNSB). L’accès à la partie suédoise de la charge payante a été rendue accessible aux étudiants d’autres pays européens au travers d’une collaboration avec l’Agence spatiale européenne (ESA). EuroLaunch, organe issu d’une coopération entre le Centre Spatial d’Esrange de la Corporation Spatiale Suédoise (SSC) et la Base de Fusée Mobile (MORABA) du DLR, est responsable de la gestion de la campagne et de l’exploitation des lanceurs. Des experts de l’ESA, de la SSC et du DLR fournissent un support technique aux équipes d’étudiants tout au long du projet.

Fiche 3 Diagnotox Tests de toxicité et bio-instrumentation : une collaboration entre Epithelix Sàrl et hepia Philippe Passeraub

Points forts Le système microtechnique développé met en œuvre des chambres de culture de tissus in vitro disposant d’un capteur intégré dans un environnement contrôlé, combiné à un système de caméras performantes. Le logiciel développé facilite l’acquisition et l’enregistrement de données et d’images, et permet un premier traitement d’images en temps réel, simultanément avec la mesure de la conductance électrique du tissu. L’œil de l’expert est ainsi remplacé, et même dépassé. Le système permet, par exemple, d’accéder à des cellules d’épithélium pulmonaire, invisibles à l’œil, à la vitesse de battement des cils. Un effet toxique peut ainsi être identifié et observé dès les premiers signes de souffrance du tissu, rendant cette nouvelle méthode particulièrement sensible et efficace. Des observations de longue durée sont possibles facilitant les études sur les effets de faibles doses de produits sur le long terme.

Dans le cadre d’un projet CALL HES-SO et de travaux successifs, hepia et Epithelix collaborent depuis 5 ans au développement d’une plate-forme innovante d’instruments pour le diagnostic in vitro de toxicité à faibles doses et sur le long terme. En effet, l’inquiétude quant aux réels effets à long terme des produits chimiques, molécules diverses et nanoparticules sur la santé humaine est aujourd’hui partagée par un nombre croissant de personnes et d’entreprises. Un très grand nombre de nouveaux tests devraient pouvoir être menés. Toutefois, pour des raisons éthiques, les expérimentations animales sont de plus en plus limitées. Une alternative, ne nécessitant que très peu voire aucune vie animale, est basée sur le développement des tests in vitro. Néanmoins, il n’existe aucune méthode standard de détermination de la toxicité établie et universelle. De plus, pour mener des études de qualité sur le long terme, l’intervention de l’œil expert est indispensable à ce jour. Il s’agit d’une tâche chronophage et contraignante. La plate-forme d’instruments développée lors de ce projet démontre le potentiel des technologies modernes de miniaturisation pour répondre de manière originale et prometteuse à cette problématique.

Fiche 3

Valorisation Légendes 1

- Schéma de la fonction d’ensemble du système de monitorage développé. 2 - Photographie de l’intérieur de la plateforme où le tissu biologique est introduit pour être observé et testé. 3-4 - Photographies de la chambre de culture pour le tissu biologique avec vue détaillée des électrodes de mesure d’impédance déposées sur la membrane poreuse. Le tissu est placé sur cette membrane à l’interface «milieu de perfusion» - «air ambiant». 5 - Vue d’un des panneaux du logiciel développé pour commander le système et acquérir les images et signaux. Sur cette vue, l’image de la face supérieure du tissu d’épithélium pulmonaire est affichée ainsi que le spectre en fréquence du battement ciliaire pour une zone choisie du tissu (avec un pic ici à 10.4 Hz). 6 - Résultats expérimentaux de l’influence de l’application d’une molécule toxique (méthyle de mercure) sur l’impédance électrique après 24 heures. Le module de l’impédance décroît à basse fréquence lorsque la concentration de la molécule testée augmente, reflétant le nombre croissant de cellules mortes à plus haute dose.

Actuellement, ce projet fait l’objet d’un premier transfert de technologies chez le partenaire industriel Epithelix Sàrl. Quant aux travaux futurs, ils se concentreront sur la parallèlisation et l’automatisation visant les tests à haut débit. Ce développement en ingénierie appliquée aux sciences du vivant (bio-ingénierie) va permettre à l’une de nos plus prometteuses sociétés Genevoises issue de l’incubateur Eclosion et lauréate du Prix de la Jeune Industrie de Genève 2010 de se développer en proposant des prestations de services à hautes valeurs ajoutées.

Fiche 4 Micro EDM milling II Modular system for high-precision micro-EDM-milling manufacturing technology Jacques Richard

Points forts Le micro-EDM-milling permet de réaliser de petites cavités profondes comportant des détails fins ; ceci dans des matériaux même extrêmement durs. Actuellement, aucune autre technique n’est capable de réaliser de telles performances. En effet, les outils du microEDM-milling sont de petites électrodes en rotation à l’extrémité desquelles les étincelles permettent d’éroder la matière, à l’image d’une fraise de coupe, mais sans les efforts qui menacent de briser l’outil. Ainsi, le micro-EDM-milling trouvera de nombreuses applications dans les domaines de la micromécanique.

Mini-cavité.

Descriptif Le micro-EDM-milling est une nouvelle technologie d’usinage par électroérosion, capable de réaliser des petites cavités profondes comportant des détails fins, dans des matériaux même extrêmement durs, et ce, sans avoir à fabriquer au préalable des électrodes de forme bien définie (comme c’est le cas dans l’enfonçage). Un premier projet CTI a permis d’établir les bases physiques et de prouver la faisabilité de cette nouvelle technologie d’usinage – il fallait notamment démontrer qu’une électrode pourtant fine et flexible pouvait être stabilisée par sa rotation, de façon à rendre possible un usinage précis. Le second projet CTI vise à permettre l’industrialisation du procédé : système de préhension de l’électrode, générateur d’étincelle dédié et gestion de l’usure de l’électrode au niveau de la machine sont les principaux défis à relever pour y parvenir (partenaire : +GF+ AgieCharmilles SA).

Fiche 4

Equipement particulier Ce projet a nécessité l’acquisition par hepia d’une machine à mesurer de haute précision (WERTH videocheck équipée d’un palpeur fibre) de façon à disposer de moyens de mesure appropriés pour caractériser dimensionnellement les performances du micro-EDM-milling.

Légendes 1 - Micro-fraisage EDM, Extrait d’une vidéo, René Demellayer. 2 - Fraisage EDM, © Hervé Sthioul. 3 - Schéma de principe du micro-fraisage EDM, la contrainte due à la fabrication d’une électrode complexe est remplacée par le mouvement d’une électrode de forme standardisée.

Fiche 5 Hydrodynamique des particules dans le procédé d’usinage par électro-érosion en enfonçage Patrick Haas

Descriptif En collaboration avec la société AgieCharmilles SA, hepia est active depuis de nombreuses années dans le domaine des procédés d’usinage de type électro-érosion par enfonçage. Ces procédés, qui permettent la mise en forme de matériaux de dureté très élevée, génèrent des particules ou des débris qui doivent être évacués. Aujourd’hui, la partie électrique du procédé est bien maîtrisée car elle fait l’objet de développements continus depuis plusieurs années. Par contre, la technique d’élimination des débris en cours d’usinage constitue un élément, qui influe très nettement sur la vitesse d’usinage.

Points forts Une approche multidisciplinaire comprenant 3 chapitres est choisie. Le premier chapitre est expérimental en conditions de similitude, le second est numérique de type simulation CFD et le troisième est in situ. Chaque approche présente des avantages, et réunies, elles permettent de réaliser une étude crédible et efficace. L’approche expérimentale est réalisée en conditions de similitude à l’échelle 50:1. Les trajectoires des particules lors des mouvements de nettoyage sont analysées par traitement d’images ; des grandeurs physiques, telles que la pression sont mesurées en continu.

Usinage d’un moule d’injection plastique par EDM enfonçage.

Lors de l’usinage par électro-érosion, une différence de potentiel est établie entre la pièce et une électrode. Lorsque la valeur de celle-ci est suffisante, une étincelle est générée à l’endroit où la résistance est la plus faible. Il s’agit en principe de l’endroit où la distance entre les deux pièces est la plus petite. Un canal ionique est créé au-travers de cette étincelle. Le générateur d’étincelles stabilise le courant pendant une durée déterminée (régime d’usinage). Les températures augmentent et un plasma est créé. Après ce temps, l’étincelle est interrompue. Le plasma disparaît et le fluide est à nouveau condensé. Ce phénomène crée localement un abaissement rapide de la pression. La matière de la pièce à usiner, liquide ou gazeuse, se solidifie rapidement sous forme de particules sphériques (voir les photos). A ce stade, le processus a terminé un cycle et le système est prêt pour générer une nouvelle étincelle, qui ne se produira pas au même endroit car la distance entre les deux pièces a été augmentée. On « usine » l’endroit où la distance est la plus courte. L’électrode peut alors pénétrer dans la pièce à usiner sans qu’aucun contact physique n’existe. Toutefois, et c’est là que l’hydrodynamique intervient, il est nécessaire d’évacuer les débris, faute de quoi l’étincelle peut se reproduire au même endroit. Ceci provient du fait que les débris sont des corps conducteurs qui ont tendance à diminuer la résistance électrique du lieu où ils se trouvent. La vitesse d’usinage est donc gouvernée par notre capacité à évacuer les débris. L’ensemble du système est immergé dans un fluide diélectrique, généralement de l’huile. L’évacuation des débris en usinage par enfonçage consiste à réaliser, après un temps d’usinage donné, des mouvements de va-et-vient de l’électrode de manière à générer un écoulement du fluide diélectrique dans les fentes autour de l’électrode et de la cavité. Ce mouvement doit permettre le brassage des débris, puis leur évacuation par les fentes latérales. La question qui nous importe est d’optimiser cette évacuation en jouant sur les paramètres tels que la fréquence des « sauts », leurs amplitudes ainsi que d’autres facteurs physiques.

Fiche 5

Valorisation Ce projet permet d’augmenter la vitesse d’usinage en optimisant le temps d’évacuation des débris. Ainsi, le partenaire industriel du projet pourra offrir à la vente des machines d’usinage plus productives. Une partie des résultats de ce projet seront présentés au 17e International Symposium on Electromachining ISEM 2013 à Leuven (Belgique) en mars 2013.

Equipement particulier hepia a développé et mis en service un banc d’essais à l’échelle 50 : 1. Elle utilise des caméras et des logiciels d’analyse d’images. Pour la partie simulation CFD, elle utilise le code Fluent en situation instationnaire et maillage dynamique. Les ordinateurs utilisés sont des serveurs SUN puissants et des stations de travail de type HP Z800 (96 Go RAM et 12 cores à 3 Ghz).

Légendes 1 - Banc d’essais en similitude à l’échelle 50:1. 2 - Particules de débris formées par les étincelles. 3 - Cratère après formation d’une étincelle. 4 - Maillage de simulation CFD. 5 - Structure de l’écoulement généré dans la première phase du retrait de l’électrode. © hepia – AgieCharmilles SA

Fiche 6 PharMea Management Développement de dispositifs de tests in vitro à faible coût pour une nouvelle plate-forme de criblage de molécules à haut débit dans le cadre d’un projet européen Philippe Passeraub

Points forts Pour relever le défi de développer une approche de fabrication plus simple, plusieurs méthodes d’impression ont été étudiées et testées. La technique de tampographie s’est révélée la plus prometteuse pour la fabrication de pistes conductrices et isolantes sur membranes poreuses. La tampographie est en général utilisée pour l’impression de cadrans de montres, de textes ou de motifs sur divers supports (balles de golf, dispositifs médicaux). Elle a aussi été utilisée pour imprimer à l’aide d’encre conductrice des antennes RF pour téléphones mobiles. L’alignement de multiples étapes d’impression permet d’imprimer des motifs complexes. Ainsi, cette technique a permis le développement d’un nouveau procédé de fabrication compatible aux membranes polymères poreuses. Des biopuces MEAs ont été ainsi fabriquées avec succès sur des membranes poreuses en PET. Des pistes conductrices de largeur de 50 µm ou plus ont été imprimées et des résistivités de 0.4 Ω/ ont été obtenues. La biocompatibilité des MEAs produites a été démontrée. Des signaux bioélectriques provenant de tissus nerveux et cardiaques ont pu être enregistrés à l’aide de tels dispositifs. Ainsi, malgré une résolution encore limitée, les MEAs imprimées à l’aide de cette nouvelle technique sont fabriquées beaucoup plus rapidement et avec un effort sensiblement réduit. La tampographie est une technique prometteuse et adaptée pour la production de biopuces MEAs à faible coût.

Schéma de principe du procédé de tampographie. Le motif à imprimer est gravé sur le cliché. Une encre est appliquée sur le cliché à l’aide d’un encrier-racloir. Un tampon prélève l’encre du cliché pour l’imprimer sur la membrane. Le motif imprimé sur la membrane est fidèle au motif du cliché. Un cycle d’impression est relativement rapide (<10 secondes).

Descriptif Dans le cadre du programme européen, FP7 Capacities, divers partenaires industriels et équipes de recherches anglaises, françaises et suisses ont joint leurs efforts ces 3 dernières années pour développer une nouvelle plate-forme de tests bioélectriques multicanaux (256 à 1024 canaux) pour tissus nerveux et cardiaques. En effet, les biopuces à réseaux de microélectrodes (MEAs pour « MicroElectrodes Arrays ») sont utilisées en biologie et en recherche médicale pour la stimulation et l’enregistrement de signaux bioélectriques à partir de cultures de tissus ou de cellules excitables. Ces tests in vitro représentent une alternative prometteuse, particulièrement pour remplacer les expériences qui cherchent à déterminer la toxicité d’une molécule en utilisant des animaux. Les techniques de criblage à haut débit de molécules permettent d’accroître la productivité de ce type de tests. Pour ceci, un nombre croissant de dispositifs à faible coût et à usage unique sont demandés. Généralement, les MEAs sont fabriquées par lots en utilisant plusieurs étapes de photolithographie. Toutefois, pour des raisons pratiques dépendant de l’application, la miniaturisation des MEAs n’est pas possible. Ainsi, l’avantage de la fabrication par lots est limité et l’effort global de fabrication est considérable. Par contre, les membranes poreuses en polymère représentent un substrat prometteur pour les nouvelles générations de MEAs, car elles donnent au biologiste une flexibilité accrue dans ses cultures et protocoles d’expériences. Toutefois, ces membranes poreuses rendent les étapes de microfabrication conventionnelles bien plus complexes du fait de la présence de pores : soit le rajout de multiples étapes est nécessaire pour produire des pores, soit un polymère poreux doit être utilisé comme substrat avec des limitations spécifiques (p.ex. température maximale limitée, incompatibilité avec des étapes bouchant ou détruisant les pores).

Fiche 6

Valorisation Développement de dispositifs de tests in vitro à faible coût pour une nouvelle plate-forme de criblage de molécules à haut débit dans le cadre d’un projet européen.

Légendes 1 - Photographie d’un réseau de 40 bioélectrodes pour tests in vitro de cellules excitables (stimulation et enregistrement de signaux bio-électriques). En gris : les pointes des électrodes faites d’encre conductrice. En noir : la protection des pistes conductrices à l’aide d’une couche d’encre isolante. 2 - Photographie d’une plaque de test in vitro faite de 32 puits de 8 bio-électrodes utile en tant que consommable pour systèmes de tests in vitro à grande échelle et à haute productivité. 3 - Photographie d’une partie de la membrane poreuse de cette plaque obtenue par tampographie multicouche (la couche isolante est ici transparente). 4 - Photographie au moyen d’un microscope à balayage électronique montrant le détail d’une impression par tampographie. La résolution d’impression est moyenne à bonne. Son grand avantage par rapport aux autres techniques de microfabrication : les pores ne sont pas bouchés ; le procédé est rapide et ne demande que peu d’énergie.

Fiche 7 STEM-3D Multi-Organs on a Chip: The next generation of biochips to test new drugs or chemicals Luc Stoppini

Descriptif We have developed a smallvolume in vitro system in which intestine-like cells, hepatocyte cells and 3D micro-organs derived from embryonic stem cells (cardiomyocytes and neural cells) were cultivated in 4 separate porous membrane micro-chambers connected by micro-channels with the presence of biosensors at different levels. A dedicated perfusion system based on air pressure was used to allow the circulation of the culture medium to the different micro-organs through a microfluidic system.

Points forts Our technology will : • Accelerate the evolution of the toxicity risks and hence dramatically shorten research cycles for the pharmaceutical and other industries. • Improve the performance of toxicity testing systems and make a major contribution to safety pharmacology. • Bring the potential of major time- and cost-saving factors for drug and chemical compound screening due to the automatic perfusion and sampling platform that allow testing several biochips in parallel, and hence increasing the testing throughput.

Micro-organs are placed within micro-chambers with bio-sensors connected through a microfludic system.

In vitro cell-based assays are often of limited predictive relevancy because they do not mimic with sufficient realism the complex environment to which a drug candidate is subjected within a living organism. Recent studies had showed that cell toxicity assays, and assay endpoints are useful for high-throughput cytotoxicity analysis in microfluidic devices, and had also concluded that 3D cell cultures that mimic the in vivo tissue are essential for obtaining results comparable to the in vivo response. Based on these results, we have fabricated a small-volume in vitro system in which 3D micro-organs derived from embryonic stem cells or human cell line cells are cultivated in separate porous membrane microchambers connected by microchannels with the presence of biosensors at different levels. By selecting appropriate bio-mimic different human tissues in 3D we are reproducing in vitro some aspects of complex interactions occurring in vivo. While conventional culture plate models only measure the response of a single cell type, our “Multiorgans-on-a-Chip” system will allow us to capture the reactions of organ system as a whole (“ organ interactions on-a-chip ” concept). For example, metabolites resulting from a drug’s influence on one organ can reach other organs and exert their positive or negative effect. These biochips will provide insight into interorgan interactions resulting from exposure to pharmacological compounds, a capability which has not been previously demonstrated using in vitro systems. Therefore, we hope that this system will be a more predictive tool in experimental pharmaceutical screening for efficacy and toxicity. Finally, in order to increase the throughput we are developing a semiautomatic platform which will allow us to screen molecules on up to 12 biochips in parallel.

Fiche 7

Valorisation • The development of our “MultiOrgans-on-a-Chip” will significantly contribute to the reduction and replacement (3R’s) of animal experiments. • The proliferation and the cell growth in three-dimensional structures will give us unique opportunities to observe selected cell behavior under normal or pathological conditions. This knowledge will likely enable meaningful advances in tissue engineering to design functional bionic systems that will be used in regenerative medicine. • There is clearly a need for more predictive in vitro systems for the pharmacy industry (to decrease the attrition rate of new drugs), toxicology, and food companies. We have already received positive feed-back from our industrial partners to accept this kind of new technologies. • In collaboration with Prof. KH Krause, we have created a start-up company Neurix S.A (a spin-out of the University of Geneva and hepia) that will offer services to pharmaceutical or food companies to assess the beneficial and detrimental effects of novel drugs or natural products (mandates). • We have recently received a funding from the CTI to develop a specific assay that will open up new avenues for applied research as well as for the commercialization of this technology.

Légendes 1 - Visualization of the microfluidic system as well as the different biosensors integrated to the biochip. 2 - A semi-automatic system was developed where molecules to be tested are placed within standard microplates.

Rue de la Prairie 4 CH-1202 Genève

Tél. +41 (0)22 546 24 00 Fax +41 (0)22 546 24 10

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