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DNA nanostructures as platforms for chemical transformations
No full textDNA is an exceptional material for bottom-up assembly of nanostructures with arbitrary shapes and high level of complexity due to its programmability, predictability and biocompatibility. Variety of well-defined DNA nanostructures ranging from a few nanometers to microns can be constructed with unparalleled precision and control. Beyond the self-assembly perspective, chemists have discovered that DNA can provide an excellent template for chemical reactions with high selectivity because it can significantly increase the local concentration of appended reactants. This thesis aims to explore the possibility of using minimalist DNA nanostructures as templates for chemical transformations to generate unique DNA-hybrid materials. First, the use of DNA micelle as a new reaction platform to enable DNA functionalization with highly hydrophobic molecules in aqueous media is investigated. The hydrophobic core of the DNA micelle can act as a reaction auxiliary that facilitates the conjugation of complementary DNA strands to hydrophobic units. Due to the sequence-controlled properties of each component used for DNA micelles assembly, reactivity can be easily tuned and studied. Second, the use of DNA nanostructures for templating reactions is expanded further to two-dimensional (2D) chemical transfer of DNA strand patterns, from a multi-arm DNA junction to a small molecule. This “printing” approach is highly modular, and it allows the resulting branched DNA-small molecule can be controlled precisely in terms of DNA sequences, valency and directionalities (5’-3’). Finally, a three-dimensional (3D) DNA “printing” method using minimal DNA cages to well-defined polymeric materials is presented. The organization of DNA strands on these scaffolds creates DNA strand patterns that can be efficiently transferred to a crosslinked polymer core inside the cage with precise control over the number, directionality, geometry and sequence anisotropy of DNA strands. The resulting DNA-imprinted polymer nanoparticles can be programmed to assemble into asymmetric higher order structures using DNA hybridization. These unique DNA-hybrid molecules can find numerous potential applications. The work presented in chapter 2 opens an opportunity to synthesize a variety of DNA hybrid materials with hydrophobic molecules, which are useful in DNA and small molecule therapeutic delivery, diagnostics, nanopore formation and self-assembly. Branched DNA-imprinted small molecules demonstrated in chapter 3 can be useful in the field of DNA nanotechnology as building blocks for wireframe DNA nanostructures, branching staple strands in DNA origami and tunable templates for material organization. The DNA-imprinted polymeric particles in chapter 4 can serve as precisely-defined “multi-arm junctions” to create highly complex structures in a predictable manner. They can also be useful in applications such as drug delivery, barcoded diagnostic or building blocks for non-centrosymmetric polymer patterning. Overall, the approaches introduced in this thesis can be used to make functional DNA-hybrid structures, with an emphasis on simplifying synthetic efforts while retaining structural complexity.L’ADN est un matériau exceptionnel pour l’assemblage par approche ascendante de nanostructures de formes arbitraires comportant un haut niveau de complexité grâce à sa nature programmable, prévisible et biocompatible. Une grande variété de structures d’ADN bien définies s’étalant de quelques nanomètres à plusieurs micromètres peut être construite avec un niveau de précision et de contrôle inégalé. Au-delà des perspectives qu’offre l’ADN en auto-assemblage, les chimistes ont découvert que les nanostructures en ADN offrent une excellente plateforme pour créer des réactions chimiques avec un haut niveau de sélectivité parce qu’il permet d’augmenter significativement la concentration locale des réactifs qui y sont annexés. Cette thèse a pour but d’explorer la possibilité d’utiliser des nanostructures d’ADN minimalistes en tant que plateformes afin d’exécuter des transformations chimiques qui génèrent des matériaux hybrides uniques à base d’ADN. Premièrement, l’usage de micelles d’ADN en tant que nanoréacteurs permettant la fonctionnalisation de l’ADN avec des molécules hautement hydrophobes en milieu aqueux est investigué. Le cœur hydrophobe des micelles d’ADN peut agir en tant qu’auxiliaire de réaction, ce qui facilite la conjugaison des brins d’ADN complémentaires aux unités hydrophobes. Grâce aux propriétés acquises par le contrôle de la séquence de chaque composante utilisée dans l’assemblage des micelles d’ADN, la réactivité peut être facilement ajustée et étudiée. Deuxièmement, l’utilisation de nanostructures d’ADN afin de guider des réactions est étendue au transfert chimique de séquences d’ADN en deux dimensions (2D), à partir de jonctions d’ADN à plusieurs branches vers de petites molécules. Cette approche « d’impression » est hautement modulaire et permet aux conjugués ramifiés d’ADN et de petites molécules d’être contrôlés précisément en fonction de leurs séquences d’ADN, valence et direction (5’-3’). Finalement, une méthode « d’impression » d’ADN en trois dimensions utilisant des cages d’ADN minimalistes afin de produire des matériaux polymériques bien définis est présentée. L’organisation de l’ADN sur ces nanostructures crée des motifs de séquences d’ADN qui peuvent être transférés efficacement à un cœur polymérique réticulé situé à l’intérieur de ces cages d’ADN et ce, avec un contrôle sur le nombre, la direction, la géométrie et l’anisotropie des séquences des brins d’ADN. Les particules polymériques d’ADN imprimées de cette façon peuvent ensuite être programmées pour s’assembler en structures asymétriques de plus haute complexité à l’aide de l’appariement des bases de l’ADN. Ces structure hybrides à base d’ADN présentent de nombreuses applications potentielles. Les travaux présentés dans le chapitre 2 ouvrent la porte vers la synthèse d’une variété de matériaux d’ADN hybrides qui seront utiles dans les domaines de la livraison thérapeutique d’ADN et de petites molécules, le diagnostic et la formation et auto-assemblage de nanopores. Les petites molécules réticulées avec de l’ADN décrites dans le chapitre 3 peuvent être utiles dans le domaine de la nanotechnologie en ADN en tant que matériau de construction pour les nanostructures en ADN, brins « agrafe » pour l’ADN origami et patrons adressables pour l’organisation de matériaux. Les particules polymériques imprimées avec de l’ADN présentées dans le chapitre 4 peuvent servir en tant que « jonctions multi-bras » bien définies afin de créer des structures de haute complexité de manière prévisible. Elles peuvent aussi être utiles dans des applications telles que la livraison ciblée de médicaments, le design programmé à partir de code-barres ou matériau de construction pour la création de polymères non-centrosymétriques à motifs. En somme, les approches introduites dans cette thèse peuvent être utilisées afin de créer des structures d’ADN hybrides fonctionnelles
To name another life, already lived: blackness and queerness, in love and study
No full textIn this thesis, I study Blackness and Queerness as objects of desire rather than of knowledge, and seek to demonstrate that objects of knowledge are, at the moment of their conceptualisation, always-already shaped by the desires and investments of their theoreticians. I discuss recent critical valences of Black and Queer studies (Afro-Pessimism, Black optimism, Queer negativity and Queer utopianism) in terms of the divergent desires and investments with which each of these fields imbue their object. Observing the moments in which Queer and Black studies lapse into an over-investment in the promises of their objects, and thus appear to be melding their objects according to their desire, I posit that rather than theoretical failures, these moments are indicative of the actual relation which moves the theoretician to her object. Study may thus be re-thought as primarily invested and turned towards a subjective creation of the world in which we live or would want to live, rather than the objective discovery of the world that is. Finally, I turn towards an engagement with the question of the purpose and doing of study, both in its present iteration and in its future potentiality. What might it mean to think of study as, primarily and irreducibly, a modality and doing of desire, nourishment, and living? What modes of valuation, socialities, and practices might derive from such an infinitesimal shift: the unashamed avowal of the centrality of our desires and investments, both personal and political, in all of our intellectual engagements?Ce mémoire trace l'être-Noir et l'être-Queer en tant qu'objets de désir, plutôt qu'objets de connaissance. Ce faisant, il cherche à démontrer que tout objet de savoir est, au moment même de sa conceptualisation, toujours-déjà défini par les désirs et investissements de ses théoriciens. Dans son contenu, ce mémoire se tourne vers certaines tendances critiques récentes dans la théorie Noire et théorie Queer (l'Afro-Pessimisme, l'optimisme Noir, la négativité Queer et l'utopisme Queer) à travers les désirs et investissements divers selon lesquels chacune de ces tendances forment leur objet d'étude. En observant certains moments de lapsus, où se révèle dans ces théories un sur-investissement dans la promesse putative de leur objets, et où ces théories paraissent donc modeller leur objets selon leurs désirs, je propose de lire ces moments non comme une erreur théorique et méthodologique, mais comme révélateurs de la véritable relation que nous entretenons, en tant qu'étudiants et théoriciens, avec nos objets. De cette façon, nous pourrions redéfinir l'activité d'étude comme une création subjective du monde dans lequel nous vivons et dans lequel nous voulons vivre, plutôt qu'en tant que découverte objective d'un monde qui est. Pour conclure, ce mémoire engage le sens et le but de l'étude, autant dans son état présent que dans ses possibilités futures. Que serait-ce de définir l'étude, en premier lieu et irréductiblement, comme une forme de désir, d'alimentation, et de vie? Quelles seraient les modalités de valuation, les genres de socialités, et les pratiques qui pourraient dériver d'un glissement aussi infinitésimal dans notre perception que celui-ci: tout simplement l'aveux du primeur de nos désir et investissements, autant personnels que politiques, dans nos engagements intellectuels
The expansion and diversification of the CCA1-LHY-RVE gene family in monocots and dicots
No full textRice (Oryza sativa) is a staple crop for more than 30% of the world population. Maintaining high agricultural yield for this crop is an essential component towards consolidating and achieving food security in numerous developing countries. Currently, climate change is a growing threat for rice culture in tropical areas, and a gradual decrease of 10-15% in the total global rice yield is expected by 2050 because of a higher incidence of abiotic and biotic stresses. The circadian clock is an endogenous timekeeping mechanism found in all prokaryotic and eukaryotic organisms. It coordinates the physiological and molecular responses to abiotic stress, by regulating processes such as stomatal aperture and flowering time in plants. The general goal of this research project aims at characterizing the structural and functional features of the CCA1-LHY-RVE protein family, a MYB transcription factor family involved in the regulation of the circadian rhythm and comprising 11 members in arabidopsis and seven in rice. For the moment, this family has been structurally characterized in arabidopsis, rice and tomato, but no in-depth studies have thoroughly unravelled its role at the molecular level in other model and cultivated monocotyledonous and dicotyledonous species. This research project comprised three main objectives. The first objective consisted by performing a phylogenetic analysis to structurally characterize the CCA1-LHY-RVE protein family in monocots and dicots. To do so, bioinformatics (phylogenetic analysis, determination of identity ratios between protein sequences, motifs discovery) were performed to evaluate the evolutionary and phylogenetic relationships of the CCA1-LHY-RVE protein family in 10 monocotyledonous species and 21 dicotyledonous species. Results reveal that the RVE8 clade members share a high protein sequence identity, ≥ 55%, within the same species and class. Similar observations were made for the LHY clade, whereas the members of the RVE1 clade, the group to which OsEPR1 and AtEPR1 (EARLY PHYTOCHROME RESPONSE 1) both belong, displayed limited inter- and intra-species identity amongst themselves. The second objective was to develop a pipeline for the relative quantification of transcript abundance for six of the seven genes belonging to the CCA1-LHY-RVE family in rice. To achieve this objective, nine primer pairs (three housekeeping genes and six RVE genes) were designed and validated using standard RT-qPCR validation protocol (bioinformatics validation of primer design, standard curves, melt curve analysis, analysis of housekeeping gene stability, gel electrophoresis). The third and last objective was to quantify the relative transcript abundance using RT-qPCR in six members of the CCA1-LHY-RVE family for rice plants that have been subjected to two treatments, a diurnal treatment aiming at observing the daily circadian oscillation of the genes and a heat shock treatment seeking at observing the response of the genes to heat shock. Only two genes, LOC_Os02g45670 and LOC_Os04g49450, were differentially abundant upon a 30 minutes heat shock for the studied timepoints. The results of this research improve our global understanding of the linkages between the circadian clock and the tolerance to abiotic stresses in plants, especially in monocotyledonous species. Findings of this research project strengthen our understanding of the structural conformation and phylogenetic relationships for the CCA1-LHY-RVE protein family in monocotyledonous species and dicotyledonous species. In a broader perspective, the data generated by this project contributes to the current state of knowledge about the phylogenetic relationships of the plant circadian clock between various cultivated species. Moreover, this research project shines a light on the phylogenetic divergence between monocots and dicots for the RVE1 and LHY clades.Le riz (Oryza sativa) est un aliment de base pour plus de 30% de la population mondiale et le maintien de rendements élevés pour cette culture s'avère un élément essentiel à la sécurité alimentaire pour de nombreux pays en voie de développement. À l'heure actuelle, les changements climatiques représentent une menace importante pour cette culture en zone tropicale et une réduction graduelle de rendement de 10-15% en lien avec une augmentation des stress hydriques et thermiques est anticipée d'ici 2050. L’horloge circadienne est un mécanisme endogène de gestion du temps impliquée dans la coordination de la réponse aux stress abiotiques et biotiques, telles que la régulation de l'aperture stomatale et l'ouverture des bourgeons floraux, dans les végétaux. L’objectif général de ce projet de recherche visait à la caractérisation des attributs structuraux et fonctionnels de la famille de protéines CCA1-LHY-RVE, une famille de facteurs de transcription MYB impliquée dans la régulation du rythme circadien et comprenant 11 membres dans arabidopsis et sept dans le riz. Ce projet de recherche était constitué de trois principaux objectifs. Le premier objectif consistait à entreprendre une analyse phylogénétique détaillée afin de caractériser la famille de protéines CCA1-LHY-RVE sur le plan structural pour diverses espèces de monocotylédones et dicotylédones. Afin de réaliser cet objectif, une analyse bio-informatique (analyse phylogénétique, détermination de la similarité entre les séquences protéiques, découvertes de motifs séquentiels récurrents) a été effectuée afin d’évaluer les liens évolutifs et structuraux de la famille de protéines CCA1-LHY-RVE pour 10 espèces de monocotylédones et 21 espèces de dicotylédones. Les résultats générés démontrent que les membres de la clade RVE8 sont caractérisés par une très forte identité séquentielle protéique, ≥55%, à l’intérieur de la même espèce, ainsi que les mêmes classes. Des observations similaires ont été réalisées pour le groupe de protéines LHY, tandis que les membres de la clade RVE1, le groupe auxquels OsEPR1 et AtEPR1 (EARLY PHYTOCHROME RESPONSE 1) appartiennent, démontrent une faible identité inter et intra-espèce parmi eux-mêmes. Le second objectif de ce projet était de développer une procédure pour la quantification relative de l’abondance de transcripts pour six des sept gènes constituant la famille CCA1-LHY-RVE dans le riz. Pour réaliser cet objectif, neuf paires d’amorces (trois gènes domestiques et six gènes RVE) ont été conçues et validées en utilisant un protocole standard de validation RT-qPCR (évaluation bio-informatique du design des amorces, courbes standards, analyse de la courbe de fusion, détermination de la stabilité des gènes domestiques, électrophorèse sur gel d’agarose). Le troisième et dernier objectif était de quantifier l’expression en mesurant l’abondance de transcripts par technique RT-qPCR des gènes de la famille CCA1-LHY-RVE pour des plants de riz ayant été soumis à deux traitements, un traitement diurnal visant à observer l’oscillation circadienne et un traitement de choc thermique ayant pour but l’évaluation de la réponse des gènes face à ce stress. Les données générées démontrent que seulement deux gènes, LOC_Os02g45670 et LOC_Os04g49450, sont différentiellement abondants suivant un choc thermique de 30 minutes. Les découvertes de ce projet contribuent à une fortification de notre compréhension de la conformation structurelle et des liens phylogénétiques unissant les membres de la famille CCA1-LHY-RVE pour les monocotylédones et les dicotylédones. Dans une perspective plus large, les données générées par ce projet ajoutent une brique à l’état actuel des connaissances à propos des liens phylogénétiques entre les diverses espèces de plantes cultivées, ainsi qu’à la divergence évolutive entre les monocotylédones et dicotylédones pour les clades RVE1 et LHY
Characterizing the Inflammatory response following interaction between Ebola virus and host cells
No full textEbola virus (EBOV) is an RNA virus of the Filoviridae family that is responsible for outbreaks of hemorrhagic fevers in primates with a lethality rate as high as 90%. It has previously been demonstrated that EBOV primarily targets host macrophages, and this interaction leads to cell activation and systemic cytokine storm. Furthermore, fatal infection is associated with inhibition of interferon responses, suppression of dendritic cell function, and lymphopenia. However, much of our knowledge of the underlying mechanisms at play, along with the potential influence of other host-derived disease mediators such as extracellular vesicles (EVs), are either not well understood or limited to studies in epithelial cells. We were interested to further elucidate the cellular and molecular events responsible for the EBOV-induced dysregulation of host immunity. To study the virus without BSL-4 containment, we generated Ebola virus-like particles (VLPs) expressing the viral glycoprotein (VLP-GP) and control VLPs without GP (Bald VLP). In vitro and in vivo experiments were performed using these particles to investigate early inflammatory responses in cell culture and mice. Stimulation of murine B10R macrophages and human THP-1 monocyte-derived macrophages with VLPs showed induction of pro-inflammatory cytokine and chemokine gene expression that was exacerbated by the presence of GP. Cells collected from mouse peritoneal lavages six hours post-intraperitoneal challenge with PBS, VLP-GP, or Bald VLP were analyzed by flow cytometry. An increase in the recruitment of neutrophils was observed in a GP-dependent manner, accompanied by a simultaneous decrease in the number of CD4+ and CD8+ T cells and B cells. In parallel, serum from two rhesus macaques infected with EBOV was interrogated in a longitudinal study of the inflammatory events occurring during viable infection. Quantification of serum-derived EVs isolated by size exclusion chromatography indicated that the concentration of vesicles peaked in circulation at the terminal stage of disease in the monkeys. Moreover, comparative proteomics conducted across EV populations isolated from serum at various time points before and after infection revealed differences in their protein content that were most significantly pronounced at the endpoint of infection. These results suggest a dynamic role for EVs in the modification of disease states in the context of EBOV. Overall, our work highlights the importance of viral factors, such as the GP, and host-derived EVs in the inflammatory cascade and pathogenesis of EBOV, which can be collectively further exploited for novel antiviral development.Le virus Ebola (EBOV) est un virus à ARN de la famille des Filoviridae. Ce virus est responsable d’épidémies de fièvres hémorragiques chez les primates ayant un taux de létalité aussi élevé que 90%. Il a préalablement été démontré qu’EBOV cible les macrophages de l’hôte, cette interaction menant à l’activation et à la tempête systémique des cytokines. Une infection causant la mort est de plus associée à l’inhibition des réponses à l’interféron, à la suppression des fonctions des cellules dendritiques, de même qu’à une lymphopénie. Toutefois, la plupart de nos connaissances sur les mécanismes sous-jacents en jeu dans le contexte de la maladie Ebola, de même que l’influence potentielle de médiateurs de maladies dérivés de l’hôte comme les vésicules extracellulaires (EVs), ne sont pas bien comprises ou se limitent aux études effectuées sur des cellules épithéliales. Nous avons donc voulu examiner plus en profondeur les évènements cellulaires et moléculaires responsables de la dérégulation de l’immunité de l’hôte induite par EBOV. Afin d’étudier le virus sans avoir recours à un environnement de niveau de confinement 4, nous avons généré des particules ressemblant à un virus (VLPs) exprimant la glycoprotéine virale (VLP-GP), de même que des VLPs contrôles sans la glycoprotéine (Bald VLP). Des expériences in vitro et in vivo ont été réalisées en utilisant ces particules, et ce afin d’étudier les réponses immunitaires précoces dans des cellules en culture et chez les souris. La stimulation des lignées de macrophages murins B10R et de macrophages dérivés de monocytes humains THP-1 avec les VLPs a démontré une activation de l’expression génique de cytokines et de chimiokines pro-inflammatoires. Cette activation est exacerbée par la présence de la GP. Des cellules de souris collectées par lavage de la cavité péritonéale ont aussi été analysées par cytométrie en flux, et ce six heures post-injection intra-péritonéale avec du PBS, VLP-GP ou Bald VLP. Une augmentation du recrutement des neutrophiles d’une manière dépendante à la présence de la GP a été observée. Cette augmentation a aussi été accompagnée d’une diminution simultanée des lymphocytes B et T CD4+ et CD8+. Parallèlement, les sérums provenant de deux singes macaques rhésus infectés par EBOV ont été étudiés lors d’une étude longitudinale des évènements inflammatoires se produisant dans le contexte d’une infection viable. La quantification des EVs, isolées à partir de sérums prélevés à différents moments de l’infection par chromatographie d’exclusion par la taille, a indiqué que la concentration de ces vésicules en circulation atteignait un sommet au stade terminal de la maladie chez ces singes. De plus, des analyses protéomiques comparatives des EVs isolées à partir de ces mêmes sérums ont révélé des différences quant à leur contenu en protéines. Ces différences étant significativement plus prononcées à la fin de l’infection, suggérant ainsi un rôle dynamique des EVs dans les changements associés aux étapes de la maladie dans le contexte d’une infection à virus Ebola. Somme toute, nos travaux démontrent l’importance de certains facteurs d’origine virale, tel que la GP, de même que les EVs dérivés de l’hôte, dans la cascade inflammatoire et la pathogénèse d’EBOV. Ces éléments pouvant être conjointement exploités dans le développement d’antiviraux
The state and variability of the carbonate system of the Canadian Arctic in the context of ocean acidification
No full textOcean acidification is an important yet often disregarded outcome of the rise in atmospheric carbon dioxide levels. Roughly a third of the carbon dioxide released to the atmosphere since the industrial revolution has been absorbed by the world’s oceans, resulting in a decrease in seawater pH, carbonate ion concentration and saturation state with respect to the calcium carbonate minerals aragonite and calcite. The Arctic Ocean is particularly vulnerable to acidification due to the weak buffer capacity of its cold waters and its steadily decreasing sea-ice cover. The ongoing changes in seawater chemistry constitute a potential threat for the health of marine ecosystems, particularly to calcifying organisms whose ability to secrete calcium carbonate skeletons and shells might be hindered by a decrease in pH and carbonate saturation states.Scientific interest towards ocean acidification and its effects on marine ecosystems of the Canadian Arctic Archipelago and its adjacent basins (Canada Basin and Baffin Bay) has grown over the last two decades, yet recent surveys of carbonate system parameters in the region are limited in scope and significant knowledge gaps remain. A vast dataset spanning 2003 – 2016 is used to characterize the recent state of the carbonate system in the Canadian Arctic, which is found to act as a net carbon dioxide sink in the summer and hosts two areas of consistent surface undersaturation with respect to aragonite, the central Canada Basin and the Queen Maud Gulf. Discontinuous time series highlight the strong variability of carbonate system parameters in this dynamic region, where biological activity accounts for approximately a third of the variability in surface DIC. The ocean acidification signal is estimated to emerge from the natural variability of the system in time series of pH, pCO2 and aragonite saturation spanning 20 to 30 years.Quoique méconnue du grand public, l’acidification des océans est une importante conséquence de la croissance de la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone. Les océans ont absorbé environ le tiers du dioxyde de carbone émis par les activités humaines depuis l’industrialisation, causant une diminution du pH, de la concentration en ions carbonates et de la saturation de l’eau de mer par rapport aux minéraux de carbonate de calcium, l’aragonite et calcite. L’Océan Arctique est particulièrement vulnérable à ce phénomène dû à la faible capacité de ses eaux froides à tamponner leur pH, relativement aux eaux des autres océans, et à la diminution rapide de son couvert de glace. Les changements engendrés par l’acidification de l’eau de mer constituent une menace potentielle pour plusieurs organismes marins, particulièrement pour les organismes calcifiants dont les squelettes et coquilles sont constituées de carbonate de calcium.Malgré l’intérêt croissant de la communauté scientifique face à la progression et aux effets de l’acidification dans l’Arctique Canadien, peu d’études récentes dressent un portrait complet du système des carbonates, qui régit le sort du dioxyde de carbone dans l’eau de mer, dans cette région. Un vaste jeu de données composé d’observations recueillies entre 2003 et 2016 est utilisé dans le but de caractériser et de suivre l’évolution temporelle de ce système dans l’Archipel Arctique Canadien, le Basin Canadien et la Baie de Baffin. Les résultats indiquent que la quasi-totalité des eaux de surface de cette région sont un puits de dioxyde de carbone durant l’été et que celles du Basin Canadien et du Golfe de la Reine-Maud sont sous-saturées par rapport à l’aragonite. Des séries temporelles permettent de quantifier la forte variabilité du système des carbonates dans cette région dynamique, où l’activité biologique est responsable d’environ 30% de la variabilité du CID (carbone inorganique dissout) en surface. Par conséquent, l’observation directe du signal d’acidification requerra des séries temporelles plus longues, de l’ordre de 20 à 30 ans dans le cas du pH, de la pCO2 et de la saturation en aragonite de l'eau de mer
An efficient and accurate simulation scheme to support the design of lattice structures fabricated by additive manufacturing
No full textLattice structure is a promising architecture in engineering applications due to its unique properties. Additive Manufacturing (AM) technology has significantly relaxed the fabricating limitation on lattice structures with complex geometries. However, with the increased geometrical complexity, simulation of these lattice structures becomes very challenging. On one hand, the intricate geometry leads to a high computational cost. On the other hand, the manufacturing influence of AM may cause inaccuracy of the simulation result. Consequently, existing simulation models are not efficient or accurate enough to support the design of lattice structures.In this thesis, a simulation scheme is presented aiming to improve the efficiency and accuracy of the simulation models in the design process of lattice structures. As-built material property model is used in the simulation scheme to incorporate the manufacturing influence of AM on the mechanical property of the lattice structure. Three simulation models are proposed in the simulation scheme to support different design stages of the lattice structure. In the initial design stage, a self-contained numerical homogenization model is proposed that can calculate the effective property of lattice topologies for any configurations. The homogenization results are stored in a database to help designers select proper lattice topologies and relative densities based on functional requirements. In the design optimization stage, a joint stiffening element model is proposed to compensate for the underestimation of traditional beam element models in simulation. The influence of the joint on the total stiffness of the structure is quantified through a parametric study. In the design validation stage, a hybrid element model is proposed to reduce the computational cost in the simulation of solid-lattice hybrid lattice structures. The connection between the lattice strut and the solid part is investigated to improve the accuracy of the hybrid element model. Furthermore, this novel simulation scheme has been implemented in a computer-aided engineering tool. A web-based user-interface is designed to support the database of lattice structure properties. Several case studies are conducted to validate the accuracy and efficiency of proposed simulation models. The proposed simulation scheme addresses some of fundamental issues in the design process of lattice structures fabricated by AM.La structure en treillis est une architecture prometteuse dans les applications d’ingénierie, en raison de ses propriétés uniques. La technologie de fabrication additive a considérablement réduit les limites de fabrication des structures en treillis aux géométries complexes. Cependant, avec une complexité géométrique accrue, la simulation de ces structures en treillis devient très difficile. D’une part, la géométrie complexe entraîne un coût de modélisation élevée. D’autre part, l’effet du procédé de fabrication additif peut entraîner une imprécision dans le résultat de la simulation. Par conséquent, les modèles de simulation existants ne sont pas suffisamment efficaces ou précis pour prendre en charge la conception de structures en treillis. Dans cette thèse, un schéma de simulation est présenté dans le but d’améliorer l’efficacité et la précision des modèles de simulation dans le processus de conception de structures en treillis. Le modèle de propriété des matériaux utilisés dans la construction est intégré dans le schéma de simulation pour intégrer l’influence de la fabrication par couches sur la propriété mécanique de la structure en treillis. Trois modèles de simulation sont proposés dans le schéma pour analyser différentes étapes de conception de la structure en treillis. Dans la phase de conception initiale, un modèle d’homogénéisation numérique autonome est proposé, capable de calculer la propriété effective des topologies en treillis selon toutes les configurations. Les résultats de l’homogénéisation sont sauvegardés dans une base de données pour aider les concepteurs à sélectionner les topologies de treillis et les densités relatives appropriées en fonction des exigences fonctionnelles. Dans la phase d’optimisation de la conception, un modèle d’élément de rigidification de joint est proposé pour compenser la sous-estimation des modèles d’élément poutre traditionnels en simulation. L’influence du joint sur la rigidité totale de la structure est quantifiée par une étude paramétrique. Dans la phase de validation de la conception, un modèle d’élément hybride est proposé afin de réduire le coût de calcul pour la simulation de structures solide-hybride en treillis. La connexion entre l’entretoise du treillis et la partie solide est étudiée pour améliorer la précision du modèle d’élément de structure hybride. De plus, ce nouveau schéma de simulation a été mis en œuvre dans un outil d’ingénierie assisté par ordinateur. Une interface utilisateur Web est conçue pour prendre en charge la base de données des propriétés de la structure en treillis. Plusieurs études de cas sont menées pour valider la précision et l’efficacité des modèles de simulation proposés. Le schéma de simulation proposé aborde certaines des questions fondamentales du processus de conception des structures en treillis produites par le procédé de la fabrication additif
Role of electrode microstructure in performance of electrochemical energy storage devices
No full textReactive transport was studied in two different systems of diffusion-dominated and combined advection-diffusion, which are relevant in the context of fuel cells and redox flow batteries. The pore network approach was employed for modeling transport in these systems. This approach enabled the study of meaningfully large domains that otherwise would be infeasible using typical pore-scale modeling approaches, usually referred as direct numerical simulation (DNS). As for diffusion-dominated systems, reactive transport in a hierarchically porous particle was considered, and the effect of the internal structure was studied. It was found that using a hierarchy of porosity, a 350% increase in power density could be achieved, merely by manipulating the internal structure. It was also found that using smaller-sized templates for creating macropores within a nanoporous particle leads to much larger performance gains when increasing the volume fraction of macropores.For energy storage devices in which mass transfer is a result of both diffusion and advection, it was found that the most common approach for modeling dispersion in pore networks is too crude an approximation. Therefore, in a comprehensive study, this discrepancy was demonstrated via comparison with DNS as ground truth and was followed by introducing a novel approach adapted from the CFD literature. The developed pore-scale model was shown to agree remarkably well with the results obtained from DNS with a maximum relative error of 0.5%. Finally, the developed pore-scale model was used in a multiphysics pore-network study of redox flow batteries, demonstrated in the context of a hydrogen bromine system. The effect of porosity at constant fiber diameter and fiber alignment on the overall performance of the battery was studied, both of which can be manipulated during electrode manufacture. It was shown that despite the decrease in available reactive surface area, the battery generally performed better at higher porosities. Furthermore, it was shown that aligning the fibers along the flow direction, while initially helping the electrode performance, leads to diminishing returns beyond slight alignment. This phenomenon was shown to correlate with the diminishing return in permeability of the electrode as alignment increased. This observation, along with the trend in performance against porosity shows the significance of permeability as the dominant factor in performance of such systems.This thesis highlights pore-network modeling as a practical way to model transport in energy storage devices at the pore-scale with minimal computing requirements. Developing such a modeling framework paves the way for better understanding how the internal structure of these devices affects their performance, serving as a guideline for making better prototypes with higher energy densities. The power of this framework was demonstrated in the context of two promising energy storage devices, but we expect that the different studies presented in this thesis be the cornerstone for many future studies, through which a more complete understanding of multiphysics at pore-scale will be achieved.Le transport réactif a été étudié dans deux systèmes différents d'advection-diffusion dominée par la diffusion et d'advection-diffusion combinée, qui sont pertinents dans le contexte des piles à combustible et des batteries à flux (or ‘piles d’oxyréduction’). L'approche du réseau de pores a été utilisée pour modéliser le transport dans ces systèmes. Cette approche a permis d'étudier des domaines d'envergure significative qui autrement seraient irréalisables en utilisant des approches typiques de modélisation à l'échelle des pores, généralement appelées simulation numérique directe (SND). Comme pour les systèmes dominés par la diffusion, le transport réactif dans une particule hiérarchiquement poreuse a été considéré et l'effet de la structure interne a été étudié. Il a été constaté qu'en utilisant une hiérarchie de porosité, une augmentation de 350% de la densité de puissance pouvait être obtenue, simplement en manipulant la structure interne. On a également constaté que l'utilisation de modelés de plus petite taille pour créer des macropores à l'intérieur d'une particule nanoporeuse entraîne des gains de performance beaucoup plus importants lorsque l'on augmente la fraction volumique des macropores.Pour les dispositifs de stockage d'énergie dans lesquels le transfert de masse résulte à la fois de la diffusion et de l'advection, on a constaté que l'approche la plus courante pour la modélisation de la dispersion dans les réseaux de pores est une approximation trop grossière. Par conséquent, dans une étude approfondie, cette divergence a été démontrée par comparaison avec la SND en tant que vérité de terrain et a été suivie par l'introduction d'une nouvelle approche adaptée de la littérature sur la mécanique des fluides numérique (MFN). Le modèle à l'échelle des pores mis au point s'est révélé remarquablement conforme aux résultats obtenus à partir du SDN, avec une erreur relative maximale de 0,5 %. Enfin, le modèle à l'échelle des pores développé a été utilisé dans une étude multiphysique de réseaux de pores de batteries à flux, démontrée dans le contexte d'un système hydrogène-brome. L'effet de la porosité à diamètre de fibre constant et de l'alignement des fibres sur la performance globale de la batterie a été étudié, les deux pouvant être manipulés pendant la fabrication des électrodes. Il a été démontré que malgré la diminution de la surface réactive disponible, la batterie se comportait généralement mieux à des porosités plus élevées. De plus, il a été démontré que l'alignement des fibres le long de la direction d'écoulement, tout en aidant initialement à la performance de l'électrode, conduit à des rendements décroissants au-delà d'un léger alignement. Il a été démontré que ce phénomène est en corrélation avec le retour décroissant de la perméabilité de l'électrode à mesure que l'alignement augmente. Cette observation, ainsi que la tendance de la performance par rapport à la porosité (en dépit de la plus faible surface de réaction disponible), montre l'importance de la perméabilité comme facteur dominant de la performance de ces systèmes.Cette thèse met l'accent sur la modélisation des réseaux de pores comme moyen pratique de modéliser le transport dans les dispositifs de stockage d'énergie à l'échelle des pores avec des besoins informatiques minimaux. L'élaboration d'un tel cadre de modélisation ouvre la voie à une meilleure compréhension de la façon dont la structure interne de ces dispositifs influe sur leur rendement, servant de guide pour la fabrication de meilleurs prototypes à plus forte densité énergétique. La puissance de ce cadre a été démontrée dans le contexte de deux dispositifs prometteurs de stockage d'énergie, mais nous nous attendons à ce que les différentes études présentées dans cette thèse soient la pierre angulaire de nombreuses études futures, grâce auxquelles une compréhension plus complète de la multiphysique à l'échelle des pores sera réalisée
Elastodynamics and control of fast pick-and-place robots
No full textFast pick-and-place robots are widely used in industry, e.g., in food-packaging and microelectronics. A parallel architecture, composed of one moving platform and one base platform, connected by two serial limbs, was designed and prototyped at McGill University's Centre for Intelligent Machines. The prototype is dubbed the Peppermill Carrier (PMC). The objective of the work reported in this thesis is to improve the speed of this parallel-kinematics machine (PKM), intended for high-speed operations, while considering its elastodynamics, via modelling, and control. The generalized spring, supported with the finite element method, are used to obtain the elastodynamics model of the robot. The natural frequencies of the robot are obtained along a test trajectory, the Adept test cycle, which serves to identify the poor-stiffness postures; the natural frequencies are further applied to build an enhanced mathematical model of the robot. Along the way, stiffness indices are defined, to help both the designer and the control engineer meet performance requirements. The mathematical model of the robot, which takes into account the flexible nature of the limbs, is formulated. Moreover, a gain-scheduling linear quadratic regulator combined with an extended Kalman filter is designed and applied to control fast pick-and-place operations. Based on the gain-scheduling controller, a constant-gain linear quadratic regulator, combined with a constant-gain extended Kalman filter, is found to be effective at controlling the robot during fast operations, while tracking a prescribed, representative trajectory. Inspired by the simulation results obtained by this regulator, a feed-forward proportional-derivative (PD) controller based on the sliding-mode scheme is also proposed. The use of these linear controllers helps decrease the computational complexity. The feasibility of a linear controller for a nonlinear system such as the PMC is also discussed. Finally, a comparison between four control schemes is conducted to analyze their pros and cons.Les robots manipulateurs rapides sont largement utilisés dans l'industrie, par exemple dans l'emballage alimentaire et la microélectronique. Une architecture parallèle composée d'une plate-forme mobile et d'une plate-forme de base, reliées par deux membres en série, a été conçue et prototypée au Centre for Intelligent Machines de l'Université McGill. Le prototype est surnommé le Peppermill Carrier (PMC). L'objectif du travail présenté dans cette thèse est d'améliorer la vitesse de ce robot, destinée aux opérations à grande vitesse, tout en tenant compte de son élastodynamique, via la modélisation et la commande. Le concept de ressort généralisé, renforcé par la méthode des éléments finis, est utilisé pour obtenir le modèle élastodynamique du robot. Les fréquences propres du robot sont obtenues le long du cycle Adept de test, qui sert à identifier les postures de faible rigidité~; les fréquences naturelles sont ensuite appliquées pour construire un modèle mathématique amélioré du robot. En cours de route, des indices de rigidité sont définis afin d'aider le concepteur et l'ingénieur automaticien à répondre aux exigences de performance. Le modèle mathématique du robot, qui tient compte de la nature flexible des membrures, est formulé. De plus, un régulateur quadratique linéaire à programmation du gain, associé à un filtre de Kalman étendu, est conçu et appliqué pour commander les opérations rapides. Sur la base du contrôleur d'ordonnancement du gain, un régulateur quadratique linéaire à gain constant, associé à un filtre de Kalman étendu à gain constant, s'avère efficace pour commander le robot lors d'opérations rapides, tout en suivant une trajectoire représentative prescrite. Inspiré des résultats de simulation obtenus par ce régulateur, un asservissement odométrique-tachymétrique à propagation avant, basé sur le schéma en mode glissant est également proposé. L'utilisation de ces asservissements linéaires permet de réduire la complexité des calculs. La faisabilité d'un asservissement linéaire pour un système non linéaire tel que le PMC est également discutée. Enfin, une comparaison entre quatre systèmes de commande est effectuée pour analyser leurs avantages et leurs inconvénients
Active preference learning using trajectory segmentation
No full textMachine learning is currently used heavily to develop robot behaviors, giving great flexibility and power, but there remains significant burden on human designers to specify reward functions or label data for the learning target. Learning from demonstration is a very intuitive way to teach your robot a new skill. This thesis considers two improvements to modern learning from demonstrations. First, we consider a model-based imitation approach that utilizes a modern form of deep probabilistic model to predict agent behaviors in order to match them to demonstrations. We replace the non-parametric estimator utilized by an existing approach, which has the limitation of poor scaling with the amount of training data. In its place, a learned parametric model is trained to capture inherent uncertainties. Through sampling-based prediction, our approach is able to capture a distribution over likely outcomes of the given policy. This is paired with a probabilistic notion of the difference between the agent's outcome distribution and the distribution of demonstrations, to produce a gradient-based policy improvement approach. Our results show that this method is effective in imitating demonstrations in a range of scenarios.The second portion of this thesis considers the \textit{temporal credit assignment} problem within learning from demonstration. We propose an active learning framework that uses trajectory segmentation to addresses this issue. Our method uses spatiotemporal criteria to segment the trajectory. These criteria can be based upon speed, heading, or curve of the trajectory which are intuitive properties to understand user's intentions. Thus, not only does our framework make the user query interface more intuitive but the resulting approach also learns faster. We demonstrate and evaluate our approach by learning a reward function for various driving scenarios and show that our algorithm converges faster.L’apprentissage automatique est actuellement très utilisé pour développer les comportements des robots, ce qui leur confère une grande flexibilité et puissance, mais il incombe toujours aux concepteurs humains de spécifier des fonctions de récompense ou des données d’étique-tage pour la cible d’apprentissage. Apprendre à partir d'une démonstration est un moyen très intuitif d'enseigner de nouvelles compétences à votre robot. Cette thèse considère deux améliorations de l’apprentissage moderne à partir de démonstrations. Nous examinons d’abord une approche par imitation basée sur un modèle qui utilise une forme moderne de modèle deepprobabilistic pour prédire les comportements des agents afin de les faire correspondre à des démonstrations. Nous remplaçons l’estimateur non paramétrique utilisé par approche existante, qui a pour limite la faible mise à l’échelle avec la quantité de données de formation. À la place, un modèle paramétrique appris est formé pour saisir les incertitudes inhérentes. Grâce à la prédiction basée sur l’échantillonnage, notre approche est capable de capturer une distribution sur les résultats probables de la politique donnée. C’est assorti d’une notion probabiliste de différence entre la distribution des résultats de l’agent et la distribution des démonstrations, afin de produire une approche basée sur l’amélioration de la politique basée sur les gradients. Nos résultats montrent que cette méthode est efficace pour imiter des démonstrations dans différents scénarios. La deuxième partie de cette thèse examine le problème de l’affectation temporaire de crédits avec l’apprent-issage de la démonstration. Nous proposons un cadre d’apprentissage actif qui utilise la segmentation par trajectoire pour résoudre ce problème. Notre méthode utilise des critères spatio-temporels pour segmenter la trajectoire. Ces critères peuvent être basés sur la vitesse, le cap ou la courbe de la trajectoire, propriétés intuitives permettant de comprendre les intentions de l’utilisateur. Ainsi, non seulement notre framework rend l'interface de requête utilisateur plus intuitive, mais l'approche résultante apprend également plus rapidement. Nous démontrons et évaluons notre approche en apprenant une fonction de récompense pour différents scénarios de conduite et montrons que notre algorithme converge plus rapidement
A rank-determination method for the spectral learning of stochastic weighted automata
No full textIn this work, a rank-determination method for the spectral learning algorithms of stochastic weighted finite automata (WFA) is proposed. In the spectral learning of stochastic WFA, a hyper-parameter which is the rank of the model needs to be specified by a user. However, the user usually does not know the true rank in advance. Therefore, some cross-validation process is employed for choosing the rank. This method is inefficient since it requires to learn multiple models. Our method can estimate the rank of the model during a single spectral learning process, and hence it eliminates the need for the cross-validation process. The idea is that when the noise level in data is low, analyzing the noise level and comparing it with the singular values of the sub-Hankel matrix might give us some insight into the number of effective singular values. Because the rank of any complete sub-Hankel matrix is equal to the number of state in a stochastic WFA, we can approximately estimate the number of state in a stochastic WFA by estimating the rank of a complete sub-Hankel matrix.To achieve this, we replace the deterministic singular value decomposition (SVD) with the fixed-precision randomized singular value decomposition (RSVD) in the spectral learning algorithm and propose two methods to estimate the noise level in data. By combining the noise-estimation method and the modified spectral learning algorithm, we obtain the new method, noise estimation based rank revealing method (NERR).Experimental results on datasets of the probabilistic automata learning competition (Pautomac) and the sequence prediction challenge (SPiCe) demonstrate the utility of this method.Dans ce travail, une méthode de détermination de rang pour les algorithmes d'appr\-entissage spectral des automates finis pondérés (WFA) stochastiques est proposée. Pour l'apprentissage spectral des automates finis pondérés stochastiques, un hyper-paramètre, qui correspond au rang du modèle, doit être spécifié par l'utilisateur. Cependant, l'utilisateur ne connaît généralement pas le rang réel à l'avance. Par conséquent, un processus de validation croisée est utilisé pour choisir le rang. Cette méthode est inefficace car elle nécessite l’apprentissage de plusieurs modèles.Notre méthode permet d’estimer le rang du modèle au cours d’un processus d’appr\-entissage spectral unique, éliminant ainsi la nécessité du processus de validation croisée. L'idée est que, lorsque le niveau de bruit dans les données est faible, l'analyse du niveau de bruit et sa comparaison avec les valeurs singulières de la matrice sous-Hankel pourraient nous donner une idée du nombre de valeurs singulières effectives. Étant donné que le rang de toute matrice sous-Hankel complète est égal au nombre d'états dans un automate fini pondéré stochastique, nous pouvons estimer approximativement le nombre d'états dans un automate fini pondéré stochastique en estimant le rang d'une matrice sous-Hankel complète.Pour ce faire, nous remplaçons la décomposition en valeurs singulières (SVD) d'ordre déterministe par la décomposition en valeurs singulières d'ordre aléatoire (RSVD) à précision fixe dans l'algorithme d'apprentissage spectral et proposons deux méthodes d'estimation du niveau de bruit dans les données. En combinant la méthode d'estimation du bruit et l'algorithme d'apprentissage spectral modifié, nous obtenons la nouvelle méthode, la méthode de révélation de rang basée sur l'estimation du bruit (NERR).Les résultats expérimentaux sur les jeux de données du concours d'apprentissage des automates probabilistes (Pautomac) et du défi de prédiction de séquence (SPiCe) démontrent l'utilité de cette méthode