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Modèles de conception et de commande pour machines polyphasées asynchrones à commutation électronique de pôles
No full textAs the rotor produces its magnetic field by induction, the power density of an asynchronous machine is lower than that of a synchronous machine. The rotor is a deforming magnetic mirror, reproducing the stator field polarity and adds harmonics. As the air-gap field is not synchronous, its position is not known. This technology provides greater robustness and reliability. Finally, by using phase shifts that are multiples of the usual phase shift, it is possible to change the polarity of the air-gap field. The multiplying coefficient is called the ‘sequence’. This change in polarity makes it possible to modify the synchronous speed and the maximum value of the mechanical torque, for the same inverter apparent power and the same modulating frequency. This thesis sets out to develop design models that take account of phenomena such as linear inter-sequence coupling (little studied in the literature) or saturation at lower computational cost. In addition, a machine control model based on flux orientation control will be developed without a position sensor for each of the machine polarities.The first model studied is a time model that is well known in the literature. It is used to transcribe the behaviour of the machine by writing the Ohm law in the stator and rotor phases. Expressing these equations in Fortescue bases makes it possible to describe the sequential behaviour of the machine, in particular the appearance of magnetic field harmonics. It is also possible to prove arithmetically that inter-sequence coupling can occur linearly because the rotor can generate field harmonics belonging to a sequence different from the initial supply sequence. This coupling depends on the number of stator and rotor phases in the machine and can affect the control of the machine. The second model studied is the permanent sinusoidal expression of the previous model. This second model takes the form of a single-phase equivalent electrical circuit. This circuit model takes into account all the sequence field harmonics of the used sequence and takes the form of a ladder circuit, already presented in the literature, whose resistive and inductive parameters are linked to the magnetising resistances and inductances of the machine.The third model studied is a section of the machine modelled by a network of reluctances excited by the stator and rotor slot currents. The reluctances are calculated from the geometry of the machine and may be linear or non-linear. A numerical resolution by inversion of the system of equations is used to calculate the magnetic state of the machine for a given excitation. The phase fluxes can be calculated and used to calculate the magnetising inductance of the machine. The results are compared with finite element simulations described in the literature and agree. However, the reluctance network model is much quicker to solve and enables saturation to be studied at lower computational cost.The indirect rotor flux orientation control model developed here enables the machine to reach a given speed under a given load and for a given power supply sequence. It is based on the estimation of the rotor flux position, calculated from the measurement of the stator Park currents and the rotor speed. The model's control parameters depend on the polarity requested, since the machine's dynamics change according to this data. Tests on a 9-phase prototype were carried out with this control system and enabled a machine efficiency map to be plotted as a function of load, speed and polarity. Knowing the efficiency enables the best sequence to be chosen for each load point.Comme le rotor produit son champ magnétique par induction, la puissance massique d’une machine asynchrone est plus faible que celle d’une machine synchrone. Le rotor est un miroir magnétique déformant, il reproduit la polarité du champ statorique en ajoutant des harmoniques. Comme le champ d’entrefer n’est pas synchrone, sa position n’est a priori pas connue. Cette technologie permet de gagner en robustesse et en fiabilité. Enfin, en utilisant des déphasages multiples du déphasage usuel, il est possible de changer la polarité du champ d’entrefer. Le coefficient multiplicateur est nommé « séquence ». Ce changement de polarité permet de modifier la vitesse de synchronisme et la valeur maximale du couple mécanique, pour une même puissance apparente d’onduleur et pour une même fréquence de modulante. Cette thèse s’attelle à développer des modèles de conception rendant compte de phénomènes tels le couplage inter-séquence linéaire (peu étudié dans la littérature) ou la saturation à moindre coût calculatoire. Aussi, un modèle de commande de machine par contrôle de l’orientation du flux sera développé sans capteur de position pour chacune des polarités de la machine. Le premier modèle étudié est un modèle temporel bien connu de la littérature. Il permet de transcrire le comportement de la machine à partir de l’écriture de la loi d’Ohm dans les phases statoriques et rotoriques. L’expression de ces équations dans les bases de Fortescue permet de décrire le comportement séquentiel de la machine, en particulier l’apparition des harmoniques de champ magnétique. Aussi, cela permet de prouver arithmétiquement qu’un couplage inter-séquence peut linéairement apparaître car le rotor peut générer des harmoniques de champ appartenant à une séquence différente de la séquence d’alimentation initiale. Ce couplage dépend du nombre de phases statoriques et rotoriques de la machine et peut perturber la commande de la machine. Le deuxième modèle étudier est l’expression du précédent modèle en régime sinusoïdal permanent. Ce deuxième modèle prend la forme d’un circuit électrique équivalent monophasé. Ce modèle circuit prend en compte tous les harmoniques de champ de la séquence utilisée et se présente sous la forme d’un circuit en échelle, déjà présenté dans la littérature, dont les paramètres résistifs et inductifs sont liés aux résistances et inductances magnétisantes de la machine. Le troisième modèle étudié est une section de la machine modélisée par un réseau de réluctances excité par les courants d’encoches statoriques et rotoriques. Les réluctances sont calculées à partir de la géométrie de la machine et peuvent être linéaires ou non. Une méthode de résolution numérique par inversion du système d’équation permet de calculer l’état magnétique de la machine pour une excitation donnée. Les flux de phases peuvent être calculés et permettent de calculer l’inductance magnétisante de la machine. Les résultats sont comparés à des simulations éléments finis décrites dans la littérature et concordent. Cependant, le modèle par réseau de réluctances est bien plus rapide à résoudre et permet d’étudier la saturation à moindre coût calculatoire. Le modèle de commande par orientation indirecte du flux rotorique développé ici permet à la machine d’atteindre une vitesse sous une charge donnée et pour une séquence d’alimentation donnée. Il repose sur l’estimation de la position du flux rotorique, calculée à partir de la mesure des courants de Park statoriques et de la vitesse du rotor. Les paramètres de contrôle du modèle dépendent de la polarité demandée car la dynamique de la machine change selon cette donnée. Des essais sur un prototype 9 phases ont été réalisés avec ce pilotage et ont permis de tracer une carte de rendement de la machine dépendant de la charge, de la vitesse et de la polarité. La connaissance du rendement permet de choisir la meilleure séquence pour chaque point de charge
Contrôle de la forme de cellules synthétiques minimales par reconstitution du cytosquelette
No full textUnderstanding how cells maintain and adapt their shape is a central focus in biology. Indeed, the shape of a cell is intrinsically tied to its function, and is finely regulated during cell processes like division. Cytoskeletons, dynamic protein networks, play a crucial role in shaping both eukaryotic and prokaryotic cells. Because of their lack of a cell wall, bacteria of the class Mollicutes offer simple models to study the role of cytoskeleton proteins on cell shape. Among these, spiroplasmas stand out due to their helical shape and unique motility, which relies on the propagation of kinks along their bodies. Their characteristic motility and morphology are governed by their cytoskeleton, primarily composed of multiple isoforms of MreB, whose arrangement and specific role within the structure remains to be defined. My research aimed to elucidate the specific roles of these MreB isoforms, particularly in driving helicity and kink formation. I employed two complementary experimental approaches to achieve this. The first approach involved heterologously expressing Spiroplasma MreB proteins in Mycoplasma capricolum (Mcap), a related bacterium that lacks a cell wall and typically has no well-defined shape. This system provided a valuable opportunity to explore how introducing MreB isoforms might influence the shape and behavior of Mcap. By introducing various MreB isoforms, especially MreB1 and MreB5, we were able to demonstrate that these proteins can confer a helical shape. In addition, MreB5 could initiate and propagate kinks in Mcap. Cryoelectron microscopy revealed that MreB filaments associate with the plasma membrane, suggesting a direct role in membrane curvature modulation. However, despite the helical transformation and kink propagation, these MreBexpressing cells did not display efficient motility in culture broth, indicating that other unknown components from Spiroplasma are necessary for full motility. The second approach of my study focused on reconstituting the Spiroplasma cytoskeleton in vitro within synthetic microcompartments, specifically, giant unilamellar vesicles (GUVs). This method aimed to simulate the natural cellular environment, providing a more controlled platform to analyze how MreB proteins influence membrane shape and mechanics. This approach unfolded in three main stages: 1. I successfully expressed Spiroplasma MreB proteins heterologously in E. coli, developing a robust purification protocol involving a dual extraction strategy that overcame challenges related to protein aggregation. This optimization yielded high concentration protein samples, crucial for subsequent experiments. 2. Using microfluidic techniques, I generated GUVs with precisely controlled sizes and compositions. By employing an octanol-assisted liposome assembly on custom-designed microfluidic chips, I produced GUVs that closely mimic a cellular environment, essential for studying the interactions between proteins and lipid membranes. 3. I designed a microfluidic system that enabled the simultaneous encapsulation of MreB proteins and ATP, recreating conditions conducive to studying how these proteins impact membrane structure. While initial results did not show visible membrane deformation, the encapsulated MreBs significantly influenced GUV survival, potentially by altering membrane integrity. In summary, my research demonstrated that Spiroplasma MreB isoforms, particularly MreB5, can induce helical shape and kink propagation in Mcap, although full motility requires additional, unidentified factors. I also developed and optimized protocols for the heterologous production and purification of MreB proteins, overcoming significant aggregation challenges. Moreover, my microfluidic GUV production method and the encapsulation of MreB proteins lay the groundwork for future studies, which will be critical for further dissecting bacterial morphology and exploring shape control in synthetic systems.La forme d'une cellule est étroitement liée à sa fonction et est finement contrôlée lors de processus comme la division cellulaire. Les cytosquelettes, réseaux dynamiques de protéines, jouent un rôle clé dans la structuration des cellules eucaryotes et procaryotes. Parce qu’elles sont dépourvues de paroi, les bactéries de la classe Mollicutes offrent des modèles simples pour étudier le rôle du cytosquelette sur la forme cellulaire. Parmi elles, les spiroplasmes se distinguent par leur forme hélicoïdale et leur motilité unique, basée sur la propagation de courbures le long de leur corps. Leur motilité et leur morphologie sont contrôlées par un cytosquelette composé principalement de plusieurs isoformes de MreB, dont l’arrangement et la fonction restent à définir. Mon objectif était de comprendre les rôles spécifiques de ces isoformes de MreB, en particulier dans l’induction de la forme hélicoïdale et des courbures. J'ai utilisé deux approches expérimentales complémentaires. La première a consisté à exprimer de manière hétérologue les protéines MreB de Spiroplasma dans Mycoplasma capricolum (Mcap), une bactérie phylogénétiquement proche, sans paroi et pléiomorphe. Ce système a permis de montrer que les deux isoformes MreB1 et MreB5 peuvent induire une forme hélicoïdale et initier la propagation de courbures chez Mcap. De plus, MreB5 seule peut permettre la propagation de courbures le long du corps cellulaire. La cryomicroscopie électronique a révélé que les filaments de MreB1 et MreB5 s'associent à la membrane plasmique, suggérant un rôle direct dans la courbure de la membrane. Cependant, ces cellules n'ont pas montré une motilité efficace en culture, indiquant que d'autres composants de Spiroplasma sont nécessaires pour une motilité complète. La seconde approche visait à reconstituer le cytosquelette de Spiroplasma in vitro, dans des microcompartiments synthétiques, notamment des vésicules géantes unilamellaires (GUVs). Cette méthode visait à recréer l’environnement cellulaire naturel pour mieux analyser l'effet des protéines MreB sur la forme et la mécanique des membranes. Elle s'est déroulée en trois étapes principales : 1. J'ai exprimé les protéines MreB de Spiroplasma de manière hétérologue dans E. coli, en optimisant un protocole de purification surmontant les défis liés à l’agrégation. Cela a permis d’obtenir des échantillons fortement enrichis en MreB pour les expériences suivantes. 2. J'ai utilisé des techniques microfluidiques pour produire des GUVs de tailles et compositions contrôlées. En utilisant une méthode d'assemblage de liposomes assistée par l’octanol sur des puces microfluidiques, j'ai créé des GUVs mimant l’environnement cellulaire, cruciales pour l’étude des interactions entre les protéines et les membranes lipidiques. 3. J'ai conçu un système microfluidique permettant l'encapsulation simultanée des protéines MreB et de l'ATP, recréant ainsi des conditions favorables à l’étude de l'impact de ces protéines sur la structure membranaire. Les résultats initiaux n’ont pas montré de déformations visibles des membranes, mais la stabilité des GUVs est fortement affectée par la présence de MreB encapsulées, qui pourraient altérer l’intégrité de la membrane des vésicules. En conclusion, mes recherches ont montré que les isoformes de MreB de Spiroplasma, en particulier MreB5, peuvent induire une forme hélicoïdale et des courbures dans Mcap, bien qu'une motilité complète nécessite des facteurs additionnels non identifiés. J'ai également optimisé les protocoles de production et de purification des protéines MreB, surmontant les défis liés à leur agrégation. De plus, ma méthode de production de GUVs et d'encapsulation de MreB ouvre la voie à des études futures, qui seront essentielles pour mieux comprendre la morphologie bactérienne et explorer le contrôle de la forme dans des systèmes synthétiques
Engager la transformation d’un agro-hydrosystème en combinant prospective, participation et simulation : développement d’une méthode générique basée sur le cas du bassin versant de la Souffel (Bas-Rhin)
No full textClimate change will require profound shifts in agricultural practices, but it also offers a strategic opportunity to reduce farming’s quantitative and qualitative pressures on water resources. This study focuses on the Souffel catchment, near Strasbourg, a river long affected by intensive agriculture and still heavily polluted despite three decades of policy support. The interdisciplinary approach combined participatory foresight, which encouraged stakeholders to imagine desirable and viable forms of agriculture by 2070, with agro-hydrological modelling, all within a deliberately frugal framework (using no new tools, short workshops, etc.). Three participatory workshops structured the process. The first, a shared diagnosis, revealed consensus on a tangible impacts of climate change and indicated that local actors had already begun adapting. The second co-created visions for 2070, guided by four normative criteria: climate resilience, reduced pollution, professional attractiveness, and economic viability. A dedicated methodology ensured that stakeholder contributions were translated into consistent, credible, and representative futures, which were then modeled using SWAT+ and MAELIA under climate forcing from EXPLORE 2 scenarios. Results highlighted the interdependence between agricultural practices and climate factors in shaping both yields and nutrient leaching. Building on this, the third workshop explored practical pathways to implement three selected futures, such as creating new ecological value chains. Conducted in partnership with institutional actors, this final stage laid the groundwork for integrating proposed measures into territorial policies. Overall, the interdisciplinary approach proved effective in linking resource preservation with climate adaptation at the local scale, while underscoring the need to explore complementary approaches to enable broader application across territories.Le changement climatique va nécessiter des adaptations profondes des pratiques agricoles. Cela peut fournir de surcroît un levier stratégique pour tenter de diminuer leurs impacts qualitatifs et quantitatifs sur les masses d’eau. C’est dans cette perspective qu’a été conduite cette recherche sur le bassin versant de la Souffel, près de Strasbourg. Cette rivière est marquée par les pressions exercées par une agriculture intensive avec des concentrations en nitrates et pesticides au-delà du bon état écologique malgré plus de trente ans de politiques d’accompagnement. La méthode interdisciplinaire mise au point repose sur une prospective participative, faisant émerger des images d’une agriculture viable et désirable à l’horizon 2070, modélisées dans un deuxième temps à l’aide de modèles agro-hydrologiques, le tout dans une logique de frugalité (pas de nouveaux outils, ateliers courts, etc.). Trois ateliers participatifs ont été menés avec les acteurs locaux. Le premier, consacré au diagnostic partagé, a révélé un consensus sur les effets déjà ressentis du changement climatique ; il a montré que les acteurs avaient déjà commencé à s’adapter pour y faire face. Le second atelier a permis de co-construire des images à l’horizon 2070 selon quatre critères normatifs : résilience climatique, moindre pollution, attractivité professionnelle et viabilité économique. Une méthodologie a été développée pour transformer les dires d’acteurs en images cohérentes, robustes et fidèles. Celles-ci ont ensuite été modélisées via SWAT+ et MAELIA sous forçage climatique à partir des scénarios EXPLORE 2. Les pratiques agricoles et les facteurs climatiques apparaissent comme deux variables interdépendantes influençant à la fois les rendements et les lixiviations en nitrates. Sur la base de ces résultats, le troisième atelier a permis d’engager une discussion sur ces différentes images et d’élaborer des pistes concrètes en vue de la concrétisation des trois images retenues (e.g. création de nouvelles filières écologiques…). Mené en partenariat avec les acteurs institutionnels, cet atelier final permet d’envisager l’intégration des mesures proposées dans les politiques territoriales. Cette approche interdisciplinaire a permis de lier préservation de la ressource et adaptation au climat à l’échelle d’un territoire, en proposant des mesures concrètes pour renforcer la résilience de l’agro-hydrosystème. Il reste à explorer des alternatives pour en faciliter la généralisation à d’autres territoires
Avancées et Défis de la Chimie Computationnelle en Catalyse Hétérogène : De la DFT à l’Intelligence Artificielle
No full textBy accelerating chemical reactions and directing them towards products of industrial interest, catalysis stands as an essential pillar of contemporary chemistry. In the field of heterogeneous catalysis, numerous computational tools derived from theoretical chemistry are available to chemists for studying surface phenomena and designing efficient solid catalysts. Notably, density functional theory, especially when combined with microkinetic modelling, proves highly relevant for elucidating various chemical process mechanisms and for optimizing the composition and morphology of catalysts for a range of applications. However, these computational methods, particularly those related to quantum chemistry, are highly resource- and time-intensive, often requiring drastic simplification of atomistic models, which can result in significant deviations from experimental reality. To address this limitation, the integration of artificial intelligence approaches, and more specifically machine learning techniques, appears particularly promising. This approach involves estimating an observable by simply applying a statistical model, without resorting to explicit molecular modelling calculations, thereby replacing lengthy simulations with near-instantaneous predictions. The reliability of these predictions depends on the quality and size of the training datasets, as well as on the choice of mathematical model, ranging from standard linear regression to more advanced non-parametric methods. Although increasing the complexity of the predictive model generally improves the accuracy of the estimates, overfitting remains a classic pitfall of this strategy, resulting in models that are specific to a particular type of chemical system and difficult to generalize. Recent advances, such as dimensionality reduction through variable compression or machine learning-based interatomic potentials, now make it possible to develop models that tend toward universal applicability. These methods are particularly attractive because they enable the modelling of large systems without having to focus exclusively on the active site of the catalyst, thereby more closely approximating real experimental conditions. By paving the way for the systematic in silico design of solid catalysts and reducing the need for lengthy and tedious experimental campaigns, these digital approaches promise to fundamentally transform the chemical industry, enabling industrial stakeholders to achieve substantial savings in both development time and production costs.Avec pour rôle d’accélérer les processus réactionnels et de les orienter vers des produits d’intérêt industriel, la catalyse est un pilier incontournable de la chimie contemporaine. Dans le cadre de la catalyse hétérogène, de nombreux outils computationnels issus de la chimie théorique sont à la disposition du chimiste pour étudier les phénomènes de surface et concevoir des catalyseurs solides performants. Notamment, la théorie de la fonctionnelle de densité, surtout lorsqu’elle est associée à la modélisation microcinétique, s’avère très pertinente pour établir les mécanismes réactionnels de différents procédés chimiques et pour optimiser la composition et la morphologie d’un catalyseur selon les applications visées. Toutefois, ces méthodes numériques, en particulier celles relevant de la chimie quantique, sont très coûteuses en ressources et en temps de calcul, ce qui impose souvent de simplifier drastiquement les modèles atomistiques, au risque de s’éloigner de la réalité expérimentale. Pour pallier cette contrainte, l’intégration de protocoles d’intelligence artificielle, et plus spécifiquement d’apprentissage automatique, s’avère particulièrement prometteuse. Cette approche consiste à estimer un observable par simple application d’un modèle statistique, sans recourir à des calculs explicites de modélisation moléculaire et remplaçant ainsi de longues simulations par des prédictions quasi-instantanée. La fiabilité de ces prédictions dépend de la qualité et de la taille des bases de données d’apprentissage, ainsi que du choix du modèle mathématique, allant de la régression linéaire usuelle à des méthodes non paramétriques plus évoluées. Bien que l’augmentation de la complexité du modèle prédictif permette généralement d’améliorer la précision des estimations, le surapprentissage demeure un écueil classique de cette stratégie, conduisant à des modèles spécifiques d’un type de système chimique donné et difficilement généralisables. Des avancées récentes, telles que la réduction de dimensionnalité par compression des variables ou les potentiels interatomiques issus de l’apprentissage automatique, permettent désormais de développer des modèles à vocation universelle. Ces méthodes sont particulièrement intéressantes car elles rendent possible la modélisation de systèmes de grande taille, sans qu’il soit nécessaire de se focaliser uniquement sur le centre actif du catalyseur, se rapprochant ainsi des conditions réelles de l’expérimentation. En ouvrant la voie à l’élaboration systématique in silico de catalyseurs solides et en limitant le recours à des séries d’expérimentations longues et fastidieuses, ces approches numériques promettent de transformer durablement l’industrie chimique, permettant aux industriels de réaliser des gains substantiels tant en temps de développement qu’en coûts de production
Différences inter-individuelles dans la dynamique des pensées spontanées : la génération spontanée de mots comme modèle du flux de pensée
No full textWhen unoccupied, our mind does not remain silent; instead, we experience thoughts of various sorts, such as memories, ideas or self-talk. This thesis examines how the dynamics of these spontaneous thoughts varies between individuals, in relation to Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD) symptoms. Across three empirical studies, we build on spontaneous word generation tasks as a proxy for participants’ streams of thought. The first study shows that a greater thought segmentation is associated both with higher ADHD traits and exploratory tendencies. The second models thought transitions as an accumulation-to-threshold process, where the threshold negatively correlates with mind-wandering and ADHD traits. The third examines the impact of cognitive constraint on thought, showing that greater ADHD traits predict more dynamic trains of thought under low constraints. These findings provide insights into the cognitive mechanisms shaping thought dynamics.Lorsque notre esprit est inoccupé, il ne reste pas silencieux ; au contraire, nous faisons l’expérience de pensées de diverses natures, telles que des souvenirs, des idées ou un dialogue intérieur. La thèse étudie comment la dynamique de ces pensées spontanées varie d’un individu à l’autre, notamment en lien avec le Trouble du Déficit de l’Attention avec ou sans Hyperactivité (TDAH). Au travers de trois études empiriques, le potentiel de l’utilisation de tâches de génération de mots spontanés comme modèle du flux de pensée est examiné. La première étude montre qu’une plus grande segmentation de la pensée est associée aux traits TDAH ainsi qu’à une tendance générale pour l’exploration. La seconde étude modélise les transitions de pensées comme un processus d’accumulation à un seuil, dont la valeur corrèle négativement à la tendance au vagabondage mental et aux traits du TDAH. La troisième étude se concentre sur l’impact de la contrainte cognitive sur la pensée, avec le résultat que la tendance pour le TDAH prédit positivement des trains de pensée plus dynamiques lorsque la contrainte est faible. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur les mécanismes cognitifs qui façonnent la dynamique de la pensée
Dοsimétrie 3D par scintillatiοn pοur le cοntrôle des petits champs d'irradiatiοn en prοtοnthérapie
No full textIn proton therapy, the treatment of tumors smaller than 3x3x3 cm3 is limited by the uncertainties of the treatment planning system and the spatial resolution of control detectors. Moreover, with the pencil beam scanning (PBS) technique, the treatment plan is structured as a sum of pencil beams (PB), each delivered in several pulses of variable intensity also called bursts (blind golfer algorithm). To answer these issues, we developed a high spatial and temporal resolution dosimeter called SciCoPro to control treatment plans. This dosimeter is based on a cubic plastic scintillator of 10x10x10 cm3 and a fast camera capable of reaching 1 kHz (the beam delivery frequency). A mirror allows seeing two views of the scintillator. The setup can record each delivered burst and reconstruct pencil beams’ characteristics (energy, position and intensity). An algorithm was developed to calculate the dose distribution from SciCoPro’s acquisitions. By retro-projecting both views of the cube in the 3D space, the algorithm reconstructs the scintillation map before converting it into dose distribution. The algorithm can reconstruct the scintillation map thanks to the radial structure of PBs. Several optical corrections, such as vignetting, inner reflections and scintillator’s attenuation, were implemented to correct optical biases.The system’s performances were assessed with customized irradiations and with clinical treatment plans. The setup was proved to be able to measure the characteristics of each delivered burst for intensities as low as 0.002 Monitor Units (MU) and showed uncertainties below 580 µm for the PBs position, 3 % for the intensity (in MU) and 180 keV for the energy. Reconstruction allowed the dose distribution of a single PB to be reconstructed with a spatial resolution of 1 mm. Then the dose distributions of the PBs were combined to form the total dose distribution of the treatment plan. The associated 3D-reconstruction algorithm has provided good results in agreement with TPS dose distributions. 3D reconstruction gave satisfactory results (gamma index > 0.90) for dose distributions in small irradiation fields, but showed limitations in larger fields.We developed a very promising scintillation dosimeter adapted to PBS and blind golfer delivery strategy, able to control the characteristics of all the PBs of a treatment in a single irradiation measurement. In the medium term, SciCoPro will be a very valuable tool to verify 3D dose distributions in small field irradiations.En protonthérapie, le traitement des tumeurs inférieures à 3x3x3 cm3 est limité par les incertitudes du système de planification du traitement et la résolution spatiale des détecteurs de contrôle. De plus, la majorité des machines de protonthérapie utilise la technique PBS (Pencil Beam Scanning), qui consiste à délivrer le traitement par une série de faisceaux fins, appelés Pencil Beams (PBs). La délivrance de ces faisceaux est effectuée selon une séquence temporelle non-reproductible (algorithme Blind Golfer), ce qui rend le contrôle qualité faisceau-par-faisceau particulièrement complexe à mettre en œuvre.Pour répondre à ces problématiques, un dosimètre à haute résolution spatiale et temporelle appelé SciCoPro a été développé afin de contrôler les plans de traitement. Ce dosimètre est basé sur un scintillateur plastique cubique de 10 x 10 x 10 cm3 et une caméra capable d'atteindre 1 kHz (la fréquence d'émission des faisceaux cliniques). Un miroir permet de visualiser simultanément deux vues du scintillateur. Le dispositif peut enregistrer le signal de scintillation produit par chaque faisceau délivré et reconstruire les caractéristiques des PBs (énergie, position et intensité). Un algorithme a été développé pour calculer la distribution de dose 3D à partir des acquisitions de SciCoPro. En rétro-projetant les deux vues du cube dans l'espace 3D, l'algorithme reconstruit la carte de scintillation avant de la convertir en distribution de dose, en s’appuyant notamment sur la structure radiale des PBs. Plusieurs corrections optiques, telles que le vignettage, les réflexions internes et l'atténuation du scintillateur, ont été mises en œuvre pour corriger les biais optiques.Les performances du système ont été évaluées à l'aide d'irradiations personnalisées et de plans de traitement cliniques. Le dispositif s'est révélé capable de mesurer les caractéristiques de chaque faisceau délivré pour des intensités aussi faibles que 0,002 unités moniteur (MU) et a montré des incertitudes inférieures à 580 µm pour la position des PBs, à une intensité de 3 % et à une énergie de 180 keV. La reconstruction permet de reconstruire le dépôt de dose d’un unique PB avec une résolution de 1 mm. L’algorithme additionne alors les distributions de dose des PBs pour calculer la distribution de dose totale d’un plan de traitement. La reconstruction 3D a donné des résultats satisfaisants (gamma index > 0.90) comparés aux distributions de dose du TPS, pour des champs inférieurs à 5 x 5 x 5 cm3.Un dosimètre à scintillation très prometteur, adapté à la stratégie de délivrance PBS, a été développé et s’est montré capable de contrôler les caractéristiques de tous les PBs d'un traitement en une seule irradiation. À moyen terme, SciCoPro constituera un outil très précieux pour vérifier les distributions de doses 3D en petits champs d’irradiation
Étude de structures en verre à haut ratio résistance / poids
No full textGlass offers environmental benefits, and its structural use is rapidly growing. Yet, its self-weight restricts applications, and inefficient material use raises CO₂ emission concerns. This doctoral research developed and applied topology optimization (TO) to design 2D and 3D lightweight glass structures. A density-based TO algorithm was proposed, incorporating deformation and maximum principal stress (MPS) constraints, along with self-weight loading. The algorithm performed robustly in both design cases. Fabricated 2D structures, produced via abrasive water jet (AWJ) cutting, were validated through bending and stress measurement tests, showing improved mechanical performance and reduced local tensile stresses. For 3D designs, feasibility was demonstrated through both casting and a novel layering-based method. Numerical validation and physical demonstration results confirmed that both methods preserved structural integrity and geometric fidelity. The layering method, combined with glass fusion bonding, offers a promising path for manufacturing TO glass components. Overall, this research establishes a foundation for high performance glass structures and promotes broader applications in sustainable construction.Le verre présente des avantages environnementaux, et son utilisation structurelle est en pleine expansion. Cependant, son poids propre limite ses applications, et une utilisation inefficace des matériaux suscite des préoccupations liées aux émissions de CO₂. Cette recherche doctorale a développé et appliqué l’optimisation topologique (OT) pour concevoir des structures en verre légères en 2D et 3D. Un algorithme d’OT basé sur la méthode de densité a été proposé, intégrant des contraintes de déformation et de contrainte principale maximale (CPM), ainsi que la prise en compte du poids propre. L’algorithme a démontré sa robustesse dans les deux cas de conception. Des structures 2D optimisées, fabriquées par découpe au jet d’eau, ont été validées par des essais de flexion et de mesure des contraintes, montrant une amélioration des performances mécaniques et une réduction des contraintes locales de traction. Pour les structures 3D, la faisabilité a été démontrée par deux méthodes : le moulage et une nouvelle méthode par l’assemblage de couches découpées par jet d’eau. Les validations numériques et expérimentales ont confirmé que ces deux méthodes préservent l’intégrité structurelle et la fidélité géométrique. La méthode par l’assemblage de couches, combinée au collage par fusion du verre, offre une voie prometteuse pour la fabrication de composants en verre optimisés par l'OT. Dans l’ensemble, cette recherche établit une bases pour des structures en verre à haute performance et favorise des applications plus larges dans la construction durable
Accélération d'algorithmes bio-informatiques sur une architecture Processing-in-Memory
No full textBioinformatics is a field where computational requirements are extremely high. In particular, in genomics, the past decade has witnessed the emergence of new DNA sequencing technologies, leading to an explosion in the amount of data to be processed. The algorithms designed to process this data have evolved, yet they increasingly encounter hardware limitations related to memory access on traditional architectures such as CPUs and GPUs. Although certain components, such as FPGAs, enable the creation of highly specialized circuits, they remain expensive and require significant expertise to implement. At the same time, processing-in-memory (PiM), a technology envisioned as early as the 1970s, is attracting growing interest in the industry. In this manuscript, we analyze three genomics-related algorithms on the general-purpose, programmable PiM accelerator from UPMEM. We first study the behavior of these algorithms on a traditional CPU architecture, implement their counterparts on the UPMEM PiM, and compare performance in terms of execution time and energy consumption. Finally, we provide recommendations based on our studies for future general-purpose PiM architectures.La bio-informatique est un domaine où les besoins en calcul sont extrêmement importants. En particulier, en génomique, la dernière décennie a vu l’émergence de nouvelles technologies de séquençage de l’ADN, entraînant une explosion de la quantité de données à traiter. Les algorithmes de traitement de ces données ont évolué, mais se heurtent de plus en plus aux limites matérielles liées à l’accès mémoire sur des architectures traditionnelles telles que les CPU et les GPU. Bien que certains composants, tels que les FPGA, permettent de créer des circuits très spécialisés, ces derniers restent coûteux et nécessitent une grande expertise pour leur mise en œuvre. Parallèlement, le processing-in-memory (PiM), une technologie envisagée dès les années 1970, attire un intérêt croissant dans l’industrie. Dans ce manuscrit, nous analysons trois algorithmes liés à la génomique sur l’accélérateur PiM généraliste et programmable de la société UPMEM. Nous étudions d’abord le comportement des algorithmes sur une architecture CPU traditionnelle, implémentons leur équivalent sur le PiM UPMEM, et comparons les performances en termes de temps d’exécution et de consommation énergétique. Enfin, nous formulons des recommandations, fondées sur nos études, pour les futures architectures PiM généralistes
Trois essais sur les instruments de conservation de la biodiversité
No full textControversies surrounding land use change and biodiversity conservation reflect growing tensions between environmental and economic priorities. However, human development often proceeds at the expense of natural areas and biodiversity. Thus, land use change and habitat loss are among the main drivers of global biodiversity decline (IPBES, 2019). Here, we choose to address three instruments aimed at addressing biodiversity loss and promoting sustainability, namely Biodiversity Offsets (BOs) (economic instruments), conservation reserves or protected areas, and voluntary approaches. Other instruments include regulations (command-and-control approaches) and education and awareness measures (Darbi, 2020; Earl et al., 2010). The key contributions of these works are both practical through modeling approaches and theoretical through field exploration. Three case studies illustrate our approach, including two located in mangroves on the western coast of Madagascar, and one in Brussels, Belgium, derived from a development project that sparked controversy over the sharing of land use in recent years. We first focused on the definition of a model that aims to reconcile economic development and the necessary recovery time gap of biodiversity to propose an Offset Sustainable Price (OSP) per unit of developed land. The concept of Biodiversity Offsets was born around the 1970’s in the United States of America (USA) and became popular since the 2010’s. Much debated, it is perceived as the main solution to reconcile economic development and biodiversity conservation. We developed a multicriteria, dynamic, and spatially-explicit model aimed at reconciling economic and ecological objectives. The application to mangroves and aquaculture in Mahajamba bay, Madagascar, illustrates the analytical findings and, in particular, the undervaluation of current price of BOs. Secondly, through field exploration and a more institutional approach, we applied the Ostromian framework to identify the fairness of a delegated management of a mangrove ecosystem to local communities, located in the Menabe region, Madagascar. We examined the various dimensions of environmental justice to assess management practices and issue recommendations. Third, we produced a common framework combining the Capability Approach and the Viability Theory to produce a multicriteria - including aspects of well-being, and dynamic approach, consistent with a strong sustainability perspective and the United Nations’ Sustainable Development Goals. It sheds light on the collective aspect of sustainable land sharing decisions.Les controverses liées au changement d’usage des sols et à la conservation de la biodiversité reflètent les tensions croissantes entre priorités environnementales et économiques. Dans la pratique, le développement humain s’effectue souvent au détriment des milieuxnaturels, entraînant une érosion marquée de la biodiversité. Le changement d’usage des terres et la destruction des habitats figurent ainsi parmi les principales causes de perte de biodiversité à l’échelle mondiale (IPBES, 2019). Nous avons choisi d’aborder trois instruments visant à lutter contre la perte de biodiversité et à promouvoir la durabilité: la compensation écologique (instruments économiques), les aires protégées, et les approches volontaires. D’autres instruments incluent les réglementations (approches de type « command and control ») ainsi que les mesures d’éducation et de sensibilisation (Darbi, 2020; Earl et al., 2010). Les contributions de ces travaux sont à la fois théoriques, via la définition de modèles théoriques, et pratiques, à travers des explorations de terrain. Trois études de cas illustrent notre approche, dont deux situées dans des mangroves de la côte ouest de Madagascar, et une à Bruxelles, en Belgique, issue d’un projet d’aménagement ayant récemment suscité une controverse autour du partage de l’usage des sols. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur la définition d’un modèle visant à réconcilier développement économique et temps de récupération nécessaire à la biodiversité, afin de proposer un prix optimal de compensation de la biodiversité (OSP) par unité deterrain aménagé. Né autour des années 1970 aux Etats-Unis, le concept de compensation écologique est devenu populaire depuis les années 2010. Bien que controversé, il est perçu comme la principale solution pour concilier développement économique et conservationde la biodiversité. Nous avons développé un modèle multicritère, dynamique et spatialement explicite visant à concilier les objectifs économiques et écologiques. Son application au cas du développement de l’aquaculture dans les mangroves de la baie de Mahajambaà Madagascar illustre pointe notamment la faiblesse du prix actuel des compensations. Deuxièmement, à travers une exploration de terrain et une approche plus institutionnelle, nous avons appliqué le cadre ostromien pour évaluer l’équité d’une gestion déléguée d’unezone de mangroves aux communautés locales, situées dans la région du Menabe à Madagascar. Nous avons examiné les différentes dimensions de la justice environnementale pour évaluer les pratiques de gestion et formuler des recommandations. Troisièmement, nous avons élaboré un cadre d’analyse combinant l’analyse des Capabilités (CA) et la théorie de la Viabilité (VT) afin de produire une approche multicritère - incluant des aspects de bien-être, dynamique et cohérente avec une perspective de durabilité forte et cohérenteavec les Objectifs de Développement Durable des Nations Unies. Ce cadre met l’accent sur la dimension collective des décisions liées au partage durable de l’usage des sols
Dévoiler la naissance des premères galaxies massives avec le Télescope Spatial James Webb
No full textOver the past few decades, our understanding of galaxy evolution has been greatly enhanced by multiwavelength observations. In particular, the combined capabilities of the Spitzer Space Telescope (Spitzer) and the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), has shed light on a population of galaxies extremely faint from the rest-frame ultraviolet (UV) up to the optical because of their high dust content, making them undetectable, even in the reddest and deepest images of the Hubble Space Telescope. This population has been shown to make a significant contribution to the star formation rate density of the z > 3 Universe, exceeding that of equivalently massive Lyman Break Galaxies (LBGs) by more than an order of magnitude. This makes them ideal candidates for being the ancestors of the first Quiescent Galaxies (QGs) in the Universe, supposing a scenario in which galaxies tend to undergo a morphological transformation when transitioning to passivity. This morphological change is thought to happen in an extremely dust-obscured phase, thus being only observable in the infrared (IR). However, the limited angular resolution of Spitzer in the near-infrared (NIR) has prevented detailed morphological analyses of this population at these redshifts, thus making it impossible to test this scenario.In this thesis, I used the unprecedentedly deep and high angular-resolution NIR imaging capabilities of the James Webb Space Telescope to study, for the first time, the spatially resolved properties of large samples of highly-obscured galaxies across cosmic time, with the aim to unveil the critical role of dust-shrouded star-formation in the morphological evolution of galaxies. In my first project, I assembled a mass-complete sample of 188 sources with log(M/M⋆) > 9.6 at z=3-4 in the CEERS field containing typical blue star-forming galaxies (BlueSFGs), red (and therefore heavily dust-obscured) star-forming galaxies (RedSFGs), and QGs. I investigated and compared their radial distribution in stellar mass, star-formation rate (SFR), and dust attenuation (Av), and was able to show that RedSFGs and QGs exhibit similar stellar surface density profiles, while RedSFGs have a significantly higher central concentration of dust attenuation compared to BlueSFGs across all stellar mass ranges. Since RedSFGs outnumber BlueSFGs at high mass log(M/M⋆) > 10.4, similarly to QGs outnumbering BlueSFGs in the local Universe, these results confirm the morphological connection between BlueSFGs, RedSFGs, and QGs in which the RedSFG phase is the ultimate contraction of the star-forming region preceding quenching. This work suggests that this color and morphological bimodality between extended BlueSFGs and compact and strongly attenuated RedSFGs is at the origin of the local bimodality between BlueSFGs and QGs, which I refer to as a "primeval bimodality."In my second project, I investigated dust-obscured star formation across cosmic time. I extended my sample by working on the PRIMER survey, which is a ~4 times bigger survey in area, and worked on mass-complete samples from z =1-5. While this is still a work in progress, this new study shows that there are two distinct regimes of star formation as traced by dusty SFGs at all cosmic times, hinting toward a universal quenching mechanism. Entering this second regime of star formation is correlated with the total stellar mass, but when the latter is fixed, compactness of both the stellar and the dust content are the main drivers of this transition. I showed that the most massive and compact galaxies at low redshift had already entered this regime early in the history of the Universe, and at lower stellar masses, suggesting that the underlying mechanism may depend on the initial conditions in which galaxies form. Galaxies can remain in this star-formation regime for extended periods, but they tend to eventually transition into quiescence.Au cours des dernières décennies, les observations multi-longueurs d'onde ont considérablement enrichi notre compréhension de l'évolution des galaxies. En particulier, les capacités combinées du télescope spatial Spitzer et du réseau millimétrique et submillimétrique ALMA ont révélé une population de galaxies extrêmement faibles en émission du repos-UV à l'optique, en raison d'une forte obscuration par la poussière. Indétectables, même dans les images les plus profondes du télescope Hubble, ces galaxies contribuent pourtant de manière significative à la densité de formation d'étoiles à z > 3, dépassant celle des galaxies Lyman Break massives d'un ordre de grandeur. Elles apparaissent ainsi comme les meilleures candidates au rôle d'ancêtres des premières galaxies quiescentes (QGs), selon un scénario où la transition vers la passivité s'accompagne d'une transformation morphologique. Celle-ci surviendrait durant une phase de forte obscuration, uniquement accessible dans le proche-infrarouge (NIR). Toutefois, la faible résolution angulaire de Spitzer dans cette gamme n'a jusqu'ici pas permis de tester ce scénario.Dans cette thèse, j'ai utilisé les capacités inédites d'imagerie NIR profonde et haute résolution du télescope James Webb pour étudier, pour la première fois, les propriétés résolues spatialement de grands échantillons de galaxies très obscurcies par la poussière à travers le temps cosmique, afin de mettre en lumière le rôle fondamental de la formation stellaire enfouie dans l'évolution morphologique des galaxies.Dans le premier projet, j'ai constitué dans le champ CEERS un échantillon complet en masse de 188 galaxies avec log(M/M⋆) > 9.6 à z = 3-4, incluant des galaxies bleues à formation d'étoiles (BlueSFGs), rouges et très obscurcies (RedSFGs), ainsi que des galaxies quiescentes. J'ai comparé leurs profils radiaux en masse stellaire, SFR et atténuation (Av), et montré que les RedSFGs et QGs partagent des densités stellaires similaires, tandis que les RedSFGs présentent une concentration centrale en poussière bien plus marquée que les BlueSFGs, quel que soit leur masse. Les RedSFGs devenant dominantes à haute masse (log(M/M⋆) > 10.4), tout comme les QGs dans l'Univers local, ces résultats indiquent qu'il existe un lien évolutif entre BlueSFGs, RedSFGs et QGs, où la phase RedSFG incarne l'ultime contraction de la région de formation stellaire précédant l'arrêt de l'activité. Ce travail suggère que la bimodalité locale entre BlueSFGs étendues et QGs compactes trouve son origine dans une bimodalité plus ancienne, entre BlueSFGs et RedSFGs, que je désigne comme « bimodalité primitive ».Dans le second projet, j'ai étudié la formation stellaire obscurcie à travers le temps cosmique en exploitant le relevé PRIMER, environ quatre fois plus étendu, pour constituer des échantillons complets en masse de z = 1 à 5. Bien qu'encore en cours, cette étude révèle déjà deux régimes distincts de formation stellaire pour les galaxies poussiéreuses, suggérant l'universalité d'un mécanisme d'arrêt de la formation d'étoiles, le « quenching ». L'entrée dans ce second régime est corrélée à la masse stellaire totale, mais, à masse fixée, la compacité des composantes stellaires et poussiéreuses en sont les moteurs principaux. J'ai montré que les galaxies les plus massives et compactes à bas redshift étaient déjà entrées dans ce régime très tôt dans l'histoire de l'Univers, et ce à des masses stellaires plus faibles, suggérant que le mécanisme sous-jacent pourrait dépendre des conditions initiales dans lesquelles les galaxies se forment. Les galaxies peuvent rester dans ce régime de formation d'étoile pendant des périodes prolongées, mais ont tendance à évoluer pour devenir passives