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Réponse Biomécanique de la Peau Humaine : Une Approche Multi-Compartiment des Milieux Poreux.
No full textLiving tissues, such as skin, are particularly sensitive to mechanical and physiological alterations, which can cause lesions, inflammatory redness, or open wounds. These alterations, collectively referred to as tissue damage, encompass any degradation of the structure or function of the tissue. Damage may arise under normal physiological conditions or result from external mechanical stress, such as moderate but prolonged pressure or intense sudden loading. Such situations are common among hospitalised patients or individuals with prolonged immobility - bedridden or wheelchair-bound - and can lead to serious complications such as pressure ulcers. With an ageing population and an increase in chronic diseases and sedentary lifestyles, these injuries represent a major public health challenge. Prevention and management are based on a better understanding of the underlying mechanisms to anticipate their occurrence and develop personalised care strategies.Tissue lesions are the result of a complex interplay of mechanical, biological, and individual factors. Animal studies have demonstrated a link between mechanical loading, oxygen deprivation (ischaemia), and cell death, particularly when mechanical deformation exceeds a critical threshold, whether through compression or shear. Furthermore, mechanical and ischaemic effects have been shown to act synergistically in initiating and propagating tissue damage. However, current mathematical models often treat these aspects separately, failing to explicitly account for the dynamic interactions between mechanical stress, tissue deformation, micro-circulation, and biological responses. This compartmentalisation limits the predictive power and applicability of these models. In addition, most calibration data come from animal studies, which hampers their direct applicability to human skin and their adaptation to patient-specific variability.The central hypothesis of this work is that a poromechanical, multiphasic and multiscale modelling framework, one that integrates the structural, fluidic, and biological components of tissue, can better characterise the critical conditions leading to skin damage. This approach also provides a promising tool for identifying susceptibility biomarkers, thus contributing to the development of personalised preventive care.The main objective of this thesis is therefore to develop a hierarchical poromechanical model of human skin under physiological conditions, coupling mechanical, micro-circulatory, and biochemical responses, and to validate it against experimental in vivo data.This work combines mathematical modelling with experimental validation. A poromechanical formulation incorporating the solid phase of the skin, the interstitium (including interstitial fluid and mobile cells), and the vascular micro-circulation was implemented using open-source software FEniCSx. In vivo tensile tests on human skin provided data to validate the model’s ability to reproduce the time-dependent mechanical response. Then an experimental study using skin indentation coupled with laser Doppler perfusion measurements was conducted during the Ph.D. to characterise the micro-circulatory response under external loading. The model was extended to include the vascular network and incorporate biological processes such as oxygen diffusion.This work thus proposes an approach to studying the interactions between mechanical stress and skin damage mechanisms through coupled modelling of mechanical and biological processes. By providing a tool that accounts for the multiscale complexity of human tissue and inter-individual variability, this research could inform improved strategies for personalised prevention and treatment, particularly in the context of pressure ulcers, wounds, and device-related injuries.Les tissus vivants, tels que la peau, sont particulièrement sensibles aux altérations mécaniques et physiologiques, pouvant conduire à l’apparition de lésions, de rougeurs inflammatoires ou de plaies ouvertes. Ces altérations, regroupées sous le terme d’« endommagement tissulaire », désignent toute dégradation de la structure ou de la fonction du tissu. Elles peuvent survenir dans des conditions physiologiques normales ou résulter de contraintes mécaniques externes, telles qu’une pression modérée mais prolongée, ou au contraire, une charge intense appliquée brutalement. Ces situations sont fréquentes chez les patients hospitalisés, les personnes en situation d’immobilité prolongée, alitées ou en fauteuil roulant, et peuvent conduire à des complications graves. Ces lésions, accentuées par le vieillissement démographique et les habitudes sédentaires, constituent un enjeu majeur de santé publique. Leur prévention et leur prise en charge reposent sur une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents, afin d’anticiper leur survenue et de développer des stratégies personnalisées de soin.L’apparition de lésions tissulaires résulte d’un enchevêtrement de facteurs mécaniques, biologiques et individuels. Les études animales ont mis en évidence un lien entre le chargement mécanique des tissus, la privation d’oxygène (ischémie) et la mort cellulaire, cette dernière survenant notamment lorsque la déformation mécanique dépasse un seuil critique, en compression ou en cisaillement. De plus, plusieurs travaux ont montré que les effets mécaniques et ischémiques agissent de manière synergique pour initier et propager les lésions. Toutefois, les modèles mathématiques actuels traitent encore trop souvent ces dimensions de manière séparée, sans intégrer explicitement les interactions dynamiques entre contraintes mécaniques, déformation du tissu, microcirculation et réponse biologique. Ce cloisonnement constitue une limite importante à la prédictivité et à la transférabilité de ces modèles. Par ailleurs, la majorité des données utilisées pour calibrer ces modèles provient d’animaux, rendant difficile leur application directe à la peau humaine et, a fortiori, leur adaptation à la variabilité interindividuelle des patients.L’hypothèse centrale de ce travail est qu’un cadre de modélisation poromécanique, multi-phasique et multi-échelle, intégrant les composantes structurelles, fluidiques et biologiques du tissu, permettrait de mieux caractériser le couplage entre chargement mécanique et réponse microvasculaire.La stratégie mise en œuvre combine étroitement modélisation mathématique et validation expérimentale (en conditions physiologiques). Une formulation poromécanique intégrant la phase solide du tissu cutané, l’interstitium (incluant fluide interstitiel et cellules mobiles), ainsi que la microcirculation vasculaire, a été implémentée dans le logiciel open-source FEniCSx. Des données expérimentales d’essais d’extension extit{in vivo} sur peau humaine ont permis de valider la capacité du modèle à reproduire la réponse temporelle du tissu cutané soumis à une sollicitation mécanique. Puis une étude expérimentale réalisée au cours de cette thèse, reposant sur l’indentation de la peau couplée à une mesure de la perfusion par sonde laser Doppler, a été conduite pour caractériser la réponse microcirculatoire sous chargement externe. Le modèle a été enrichi pour intégrer le réseau vasculaire et la possibilité d’incorporer des processus biologiques tels que la diffusion d'oxygène.Ce travail propose ainsi une approche pour étudier l’interaction entre les mécanismes d’endommagement cutané sous contrainte, en s’appuyant sur une modélisation couplée des processus mécaniques et biologiques. En offrant un outil capable de prendre en compte la complexité multi-échelle du tissu humain et sa variabilité interindividuelle, cette recherche pourrait inspirer de meilleures stratégies de prévention et de traitement personnalisés
Analyse de stabilité globale par des méthodes de différentiation automatique : applications aux jets turbulents
No full textIn recent years, there has been a growing need for reliable methods to study the dynamics of certain turbulentflows with industrial applications. The development of methods comprising the field of computational fluiddynamics rests upon three fundamental aspects: firstly, the power and computational efficiency of hardwareand software infrastructures (HPC); secondly, the advancement of numerical methodologies designed to optimizecalculation accuracy and performance; and finally, the physical and mathematical understanding that enablesthe development of theoretical models capable of describing complex flow physics.This work will tackle all three of these aspects. Through a generative solver like dNami and byemploying automatic differentiation, we developed a computational framework capable of applying globalstability analysis methods to geometrically complex, three-dimensional, and turbulent cases.On one hand, we explored the tonal noise generated by a subsonic jet impinging on an oblique flat plate,comparing the spectral behavior with experimental data.On the other hand, we conducted a detailed investigation of the tonal noise phenomenon appearing in bothlaminar and turbulent overexpanded jets.In this context, stability analysis has proven to be an excellent modeling tool for examining aspects ofacoustic resonance physics, particularly in studying and decomposing the waves that composea self-sustaining acoustic feedback loop.Ces dernières années, le besoin de méthodes fiables pour étudier la dynamique decertains écoulements turbulents par des applications industrielles n’a cessé de croître. Le développement des méthodes constituant le domaine de la dynamique des fluides numérique repose sur trois aspects fondamentaux:premièrement, la puissance et l’efficacité computationnelle des infrastructures matérielles et logicielles(HPC); deuxièmement, l’avancement des méthodologies numériques conçues pour optimiser la précision et la performance des calculs; et enfin, la compréhension physique et mathématique permettant de développer des modèles théoriques capables de décrire la physique complexe des écoulements.Ce travail abordera ces trois aspects. Grâce à un solveur génératif comme dNami et en employant la différentiation automatique, nous avons développé un cadre de calcul capable d’appliquer des méthodes d’analyse de stabilité globale à des cas tridimensionnels, géométriquement complexes et turbulents.D’une part, nous avons exploré le bruit tonal généré par un jet subsonique impactant une plaque plane oblique, en comparant le comportement spectral avec des données expérimentales.D’autre part, nous avons mené une étude détaillée du phénomène de bruit tonal apparaissant dans des jets sur détendus laminaires et turbulents.Dans ce contexte, l’analyse de stabilité s’est avérée être un excellent outil de modélisation pour examiner des aspects de la physique de la résonance acoustique, en particulier pour étudier et décomposer les ondes participant au maintien d’une boucle de rétroaction acoustique auto-entretenue
Déterminisme des limites climatiques des aires de distribution des essences forestières méditerranéennes. Une approche expérimentale sur quatre espèces au Liban
No full textClimate change has profoundly disrupted natural ecosystems, particularly in the Mediterranean basin, a region characterized by high vulnerability to ongoing climate change. In this context, this thesis aims to study the climatic range of several Mediterranean species and to better understand the role of abiotic, biotic and historical factors in the distribution and persistence of these forest species at the warm and cold margins of their distribution. The thesis also explores whether the altitudinal limits of their natural distribution correspond to their climatic niche. By studying the survival and growth of these species within and beyond their current climatic margins, the study aims to finally formulate recommendations for the reforestation and sustainable management of Mediterranean ecosystems. An experimental device was set up on eight sites regularly distributed between 110 and 2330 meters above sea level in Lebanon to evaluate the survival and growth at the juvenile stage of 4 species: two conifers Cedrus Libani and Pinus brutia and two Mediterranean deciduous trees, one evergreen sclerophyll: Quercus calliprinos and the other deciduous: Quercus infectoria. Several irrigation and plant competition modalities were studied in each site. Soil, the level of light available to plants, herbaceous competition, and consumption by herbivores were controlled and standardized between sites to ensure that only climatic effects were studied. The 4 species were planted at 1 year old according to the same planting methods in all sites. Growth and survival measurements were performed for 3 years. In addition to this system, measurements of the presence and absence of the four species studied were carried out on 1300 sites, in order to specify their altitudinal range under natural conditions. The results show that the "cold" altitudinal limit of species under natural conditions is mainly determined by physiological factors. The survival comparison between irrigated and non-irrigated modalities above the upper limit of distribution highlights the expected effect of low temperatures but also an effect of summer drought as drivers of the upper limit of species. The lower altitudinal limit appears to be more influenced by anthropogenic and biotic factors, such as interactions with other species, competition for water resources, or historical changes brought about by millennia of human activities in the region. Thus, the survival and growth limit of the cedar is nearly 1000 m of elevation drop below its altitudinal limit in the natural ecosystems of Lebanon. In the Mediterranean context, the impact of drought on the "cold" altitudinal limit of species highlighted in this study calls into question the natural colonization patterns of areas located beyond the cold limit of distribution with climate change. The results also show that the predicted regressions at the warm pole of the range are not inevitable for some species because of their ability to survive well below their warm line. These results pave the way for management interventions related in particular to irrigation at the juvenile stage and the control of competition as adaptation measures to the expected impacts of global warming.Le changement climatique a profondément perturbé les écosystèmes naturels, particulièrement dans le bassin méditerranéen, une région caractérisée par une forte vulnérabilité face aux évolutions en cours du climat. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier la gamme climatique de plusieurs essences méditerranéennes et de mieux comprendre le rôle des facteurs abiotiques, biotiques et historiques dans la distribution et la persistance de ces essences forestières aux marges chaudes et froides de leur répartition. La thèse explore également si les limites altitudinales de leur répartition naturelle correspondent à leur niche climatique. En étudiant la survie et la croissance de ces essences au sein et au-delà de leurs marges climatiques actuelles, l'étude vise enfin à formuler des recommandations pour le reboisement et la gestion durable des écosystèmes méditerranéens. Un dispositif expérimental a été mis en place sur huit sites régulièrement répartis entre 110 et 2330 mètres d'altitude au Liban pour évaluer la survie et la croissance au stade juvénile de 4 essences : deux conifères Cedrus Libani et Pinus brutia et deux feuillus méditerranéens, l'un sclérophylle à feuilles persistantes : Quercus calliprinos et l'autre à feuilles caduques : Quercus infectoria. Plusieurs modalités d'irrigation et de compétition entre plants ont été étudiées dans chaque site. Le sol, le niveau de lumière disponible pour les plants, la compétition herbacée et la consommation par les herbivores ont été contrôlés et standardisés entre les sites pour garantir que seuls les effets climatiques soient étudiés. Les 4 espèces ont été plantées à 1 an selon les mêmes modalités de plantation dans tous les sites. Les mesures de croissance et de survie ont été réalisées pendant 3 ans. En complément de ce dispositif, des relevés de présence et d'absence des quatre espèces étudiées ont été effectués sur 1300 sites, afin de préciser leur gamme altitudinale dans des conditions naturelles. Les résultats montrent que la limite altitudinale « froide » des espèces dans les conditions naturelles est principalement déterminée par des facteurs physiologiques. La comparaison de survie entre modalités irriguées et non irriguées au-dessus de la limite haute de distribution met en évidence l'effet attendu des faibles températures mais aussi un effet de la sécheresse estivale comme drivers de la limite haute des essences. La limite altitudinale basse semble davantage influencée par des facteurs anthropiques et biotiques, tels que les interactions avec d'autres espèces, la compétition pour les ressources hydriques, ou encore les modifications historiques apportées par des millénaires d'activités humaines dans la région. Ainsi, la limite de survie et de croissance du cèdre se situe près de 1000 m de dénivelée sous sa limite altitudinale dans les écosystèmes naturels du Liban. En contexte méditerranéen, l'impact de la sécheresse sur la limite altitudinale « froide » des espèces mis en évidence dans cette étude remet en cause les modèles de colonisation naturelle des zones situées au-delà de la limite froide de distribution avec le changement climatique. Les résultats montrent également que les régressions prédites au pôle chaud de l'aire ne sont pas inéluctables pour certaines espèces du fait de leur capacité à survivre bien en deçà de leur limite chaude. Ces résultats ouvrent la voie à des interventions de gestion liées notamment à l'irrigation au stade juvénile et à la maitrise de la compétition comme mesures d'adaptation face aux impacts attendus du réchauffement climatique
Justice climatique en Europe : inégalités économiques d'exposition aux événements climatiques extrêmes
No full textHuman-induced greenhouse gas emissions are responsible for the rise in global temperatures and changes in the frequency, intensity, and spatial extension of extreme climate events. These climate changes pose significant social challenges and are projected to exacerbate existing economic inequalities. Despite numerous studies assessing the distributive impacts of climate change, there are only few focusing on exposure, an important dimension of climate risk.Existing studies focusing on impacts have consistently observed that climate change exacerbates economic inequality and disproportionately impacts the poor at multiple geographical scales. Understanding how different income groups are exposed to extreme events has gained increasing interest recently, particularly in the USA. However, such studies suffer from several methodological issues. They are often limited by the availability, spatial resolution, and temporal coverage (rarely available for the future) of economic data. They also rarely focus on more than one extreme event, leading to an incomplete understanding of climate risk. This is particularly true in Europe, where studies are rare compared to other regions.This PhD thesis seeks to fill this knowledge gap by examining the evolution of income-based inequalities in exposure to extreme climate events resulting from five hazards: heatwaves, cold spells, wildfires, riverine flooding, and coastal flooding. In the first chapter, I introduce a new harmonised dataset of subnational per capita disposable income in Europe. This dataset has been compiled from existing income data published by national statistical institutes. In total, the dataset covers 42 European countries distributed over more than 120,000 geographical entities during the 1995-2021 period. Given the significant heterogeneity in the size and shape of geographical units across countries, the second chapter presents a novel methodology to downscale this dataset to a common 1 km resolution for the year 2015. It uses an innovative extended Machine Learning framework that incorporates a wide range of socioenvironmental variables available at the target resolution of 1km.The third chapter proposes a methodology to create income maps over the 21st century, aligned with the Shared Socioeconomic Pathways (SSP). This approach uses a top-down framework that ensures consistency between various quantitative socio-economic datasets developed by the SSP community, including economic growth, income inequality, and national income distribution. It also incorporates gridded projections of population and settlement expansion at a 1km resolution, providing a detailed and cohesive representation of future income distributions.In the last chapter, I explore the evolution of income-based inequalities in exposure to extreme events, considering both warming scenarios and alternative development pathways. My results show that, throughout the century, high-income groups within countries remain mostly underexposed to extreme events, exhibiting average exposure levels lower than those experienced by low-income groups. My work highlights the existence of climate inequalities in Europe and offers valuable insights for policymakers seeking to design fair climate adaptation strategies.Les émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine sont responsables de l'augmentation des températures mondiales ainsi que des changements dans la fréquence, l'intensité et l'étendue spatiale des événements climatiques extrêmes. Ces changements climatiques posent des défis sociaux majeurs et devraient aggraver les inégalités économiques existantes. Malgré de nombreuses études évaluant les impacts distributifs du changement climatique, peu se concentrent sur l'exposition, une dimension essentielle du risque climatique.Les études existantes axées sur les impacts montrent systématiquement que le changement climatique accentue les inégalités économiques et affecte de manière disproportionnée les populations pauvres à diverses échelles géographiques. Comprendre comment les différents groupes de revenus sont exposés aux événements extrêmes suscite un intérêt croissant, en particulier aux États-Unis. Cependant, ces études souffrent de plusieurs limites méthodologiques. Elles sont souvent contraintes par la disponibilité, la résolution spatiale et la couverture temporelle (rarement projetée dans le futur) des données économiques. De plus, elles se concentrent rarement sur plus d'un type d'événement extrême, ce qui conduit à une compréhension incomplète des risques climatiques. Ces lacunes sont particulièrement marquées en Europe, où les études sont moins nombreuses par rapport à d'autres régions.Cette thèse de doctorat vise à combler ce manque de connaissances en examinant l'évolution des inégalités d'exposition aux événements climatiques extrêmes en fonction des revenus, en s'intéressant à cinq types d'aléas : vagues de chaleur, vagues de froid, feux de forêt, inondations fluviales et inondations côtières. Dans le premier chapitre, j'introduis un nouveau jeu de données harmonisé sur le revenu disponible par habitant à l'échelle infranationale en Europe. Ce jeu de données a été compilé à partir des données de revenu publiées par les instituts nationaux de statistiques. Il couvre au total 42 pays européens répartis sur plus de 120 000 entités géographiques pour la période allant de 1995 à 2021. Étant donné l'hétérogénéité significative de la taille et de la forme des unités géographiques entre les pays, le deuxième chapitre propose une méthodologie innovante pour désagréger ce jeu de données à une résolution commune de 1 km pour l'année 2015. Cette méthodologie repose sur une extension des modèles existants de Machine Learning qui intègre un large éventail de variables socio-environnementales disponibles à la résolution cible de 1 km.Le troisième chapitre propose une méthodologie pour produire des cartes de revenu au 21ème siècle, alignées avec les trajectoires socio-économiques partagées (Shared Socioeconomic Pathways, SSP). Cette approche utilise un cadre descendant qui garantit la cohérence entre différents jeux de données socio-économiques quantitatifs développés par la communauté SSP, incluant la croissance économique, les inégalités de revenu et la distribution nationale des revenus. Elle intègre également des projections carroyées de population et d'expansion urbaine à une résolution de 1 km, offrant une représentation détaillée et cohérente des distributions futures des revenus.Enfin, dans le dernier chapitre, j'explore l'évolution des inégalités d'exposition en fonction des revenus face aux événements extrêmes, en tenant compte des scénarios de réchauffement et des trajectoires de développement alternatives. Les résultats montrent qu'au cours du siècle, les groupes à revenu élevé au sein des pays restent majoritairement sous-exposés aux événements extrêmes, avec des niveaux d'exposition moyens inférieurs à ceux des groupes à faible revenu. Ce travail met en évidence l'existence d'inégalités climatiques d'exposition en Europe et fournit des informations précieuses pour les décideurs politiques souhaitant élaborer des stratégies d'adaptation au climat équitables
Optimisation multi-critère d'une exploitation d'uranium par In Situ Recovery
No full textWorldwide, In situ recovery (ISR) is the most widely used uranium mining technique. Uranium ISR consists in dissolving the ore minerals using an acidic leaching solution directly within the deposit through a series of injection and extraction wells. The U-enriched solution is then pumped to the surface in order to separate the dissolved uranium from the acid solution. It is by far the most cost effective extraction technique. However, an ISR exploitation impacts the groundwater quality by increasing the concentration of dissolved elements and decreasing the pH. Subsequently, groundwater impacted by acid ISR mining is typically remediated using various rehabilitation strategies. This study aims to forecast uranium production and predict the long-term environmental footprint of such exploitation using a reactive transport modeling approach.To do so, we have used HYTEC, an investigative tool to assess both production and the environmental footprint of an ISR mining site. The model is applied to an uranium deposit of the KATCO mine and the SaUran mine in Kazakhstan. This model can simulate the evolution of the aquifer geochemistry during and after the production phase. The environmental impact model is calibrated based on long-term water quality monitoring data.We have studied how operating parameters impact both the uranium production and the environmental footprint of the ISR exploitation.The environmental footprint can be described in terms of distance and time. The distance is generally controlled by the migration of sulfate ions resulting from the injection of sulfuric acid, which have low reactivity and hence an important mobility. Acidity or pH is the parameter which influences the duration of the impact, as protons has a very important reactivity and can also be stored locally by adsorption on clay mineral surfaces.The geochemical model, previously developed in this study, suggests that cationic sorption on clay surfaces and the precipitation of secondary minerals like gypsum regulate the behavior of elements over extended durations and distances.À l'échelle mondiale, la récupération in situ (ISR) est la technique d'extraction d'uranium la plus utilisée au monde. Cette méthode consiste à injecter une solution acide à travers des puits dans des couches géologiques perméables pour dissoudre les phases minérales contenant l'uranium. La solution enrichie en uranium est ensuite pompée à la surface, où l'uranium dissous est extrait à l'aide de résines échangeuses d'ions. La solution de lixiviation est ensuite recyclée et réinjectée dans le gisement.Bien que l'ISR soit très rentable, elle affecte la qualité des eaux souterraines en augmentant les concentrations en éléments dissous et en diminuant le pH, nécessitant ainsi des stratégies de réhabilitation.Cette thèse a pour objectif de prévoir la production d'uranium et d'anticiper l'empreinte environnementale à long terme d'une telle exploitation, en utilisant une approche de modélisation du transport réactif. Pour ce faire, nous avons utilisé HYTEC, un outil d'investigation permettant d'évaluer à la fois la production et l'empreinte environnementale d'un site ISR. Le modèle a été appliqué aux gisements d'uranium des mines de KATCO et de SaUran au Kazakhstan. Il permet de simuler l'évolution géochimique de l'aquifère, pendant et après la phase de production. L'impact environnemental du modèle a été calibré sur la base de données à long terme provenant de piézomètres de surveillance.Nous avons étudié l'influence de plusieurs paramètres opérationnels sur la production d'uranium et l'empreinte environnementale de l'exploitation ISR.Cette empreinte environnementale peut être analysée en termes de distance et de temps. La distance est principalement contrôlée par la migration des ions sulfate, issus de l'injection d'acide sulfurique, qui sont faiblement réactifs et donc très mobiles. L'acidité (pH) influe sur la durée de l'impact, car les protons peuvent être stockés localement par adsorption sur les surfaces des minéraux argileux.Le modèle géochimique, développé dans cette étude, suggère que l'adsorption cationique sur les surfaces argileuses, ainsi que la précipitation de minéraux secondaires tels que le gypse, régulent la dispersion des éléments sur de longues distances et périodes
Analyse du potentiel des systèmes de fabrication en réseau pour saisir de nouvelles opportunités de production
No full textIn today’s volatile, uncertain, complex, and ambiguous manufacturing context, firms must adapt their production systems to stay competitive. Traditional risk management based on static data often fails to address unforeseen production requirements. Reconfiguration, defined as adjusting system parameters without new resources, offers a strategic response but requires collaboration across networks. This thesis proposes a framework with two contributions: an ontology-based model to identify configuration alternatives using available capabilities, and an optimization model to evaluate them through cost, feasibility, and logistics criteria. Applied to folding bicycle and hydroalcoholic gel production, the framework shows how firms can leverage shared resources to seize new production opportunities efficiently.Dans le contexte actuel de fabrication volatile, incertain, complexe et ambigu, les entreprises doivent adapter leurs systèmes de production pour rester compétitives. La gestion traditionnelle des risques basée sur des données statiques ne permet souvent pas de répondre à des exigences de production imprévues. La reconfiguration, définie comme l'ajustement des paramètres du système sans nouvelles ressources, offre une réponse stratégique mais nécessite une collaboration entre les réseaux. Cette thèse propose un cadre comportant deux contributions : un modèle ontologique permettant d'identifier les alternatives de configuration à partir des capacités disponibles, et un modèle d'optimisation permettant de les évaluer selon des critères de coût, de faisabilité et de logistique. Appliqué à la production de vélos pliants et de gel hydroalcoolique, ce cadre montre comment les entreprises peuvent tirer parti des ressources partagées pour saisir efficacement de nouvelles opportunités de production
Apport des approches d'apprentissage profond à la prédiction génomique et à l'appui aux objectifs de sélection
No full textModern animal breeding relies heavily on the prediction of the individuals' genetic merit, i.e. breeding values, to guide selection decisions and accelerate genetic gain. By predicting the genetic merit of individuals using either pedigree or genomic information, or both, breeding programs are able to make more accurate decisions than those based solely on phenotypic records. Furthermore, the era of genomics has further enhanced the accuracy of predicted breeding values of young selection candidates, and particularly in dairy cattle, genomic prediction has significantly reduced the generation interval. Genomic prediction, widely adopted by the industry, is strongly based on statistical methods. Although successful, these methods rely on the assumption that breeding values are primarily additive and that any non-additive genetic effect is linear, which can limit their ability to capture the full complexity of trait architecture. In reality, trait expression is influenced by both additive and non-additive effects, and linear and non-linear associations, which can introduce systematic prediction errors and limit accuracy.Deep learning (DL) is a flexible modeling approach capable of learning complex patterns from high-dimensional data, which has attracted the attention of geneticists in the past decade, given its potential to capture non-linear associations between genomic information and phenotypic records. In its first applications to quantitative genetics, DL was considered as an alternative to the traditional statistical methods for genomic prediction, with the expectation that DL would increase prediction accuracy. However, many studies have shown that DL does not consistently outperform the statistical models. Rather than aiming to use DL as an alternative to statistical methods for genomic prediction, the goal of this PhD was to integrate DL to the statistical methods, to address two topics of interest in breeding programs: (1) the possibility of nonlinear genetic relationships between traits in multi-trait prediction, and (2) the prediction of breeding values for crossbred animals, for which non-additive, and potentially non-linear, effects (dominance, or heterosis in the case of corssbred animals) play a significant role.Through simulations and real data analyses, we investigated the application of DL for these two main objectives, demonstrating its ability to capture the complex genetic relationships between traits and among crossbred populations. Our results suggest that the integration of DL to statistical methods can match or outperform the latter's initial prediction, particularly when the underlying genetic architecture is strongly non-linear (in the case of genetic correlations between traits) and non-additive (in the case of crossbred prediction), with the benefits of DL minimized when the traits' genetic architecture was mostly dominated by additive and linear effects.Finally, the work developed in this PhD thesis suggests that combining DL with traditional statistical approaches has the potential to not only leverage the prediction accuracy of genetic merit but also serve as a tool to further understand the complex genetic architecture of the traits.La sélection animale moderne repose largement sur la prédiction du mérite génétique des individus, c'est-à-dire leurs valeurs génétiques, afin de guider les décisions de sélection et d'accélérer le progrès génétique. En prédisant le mérite génétique à partir des informations de pedigree, génomiques, ou des deux, les programmes de sélection peuvent prendre des décisions plus précises que celles basées uniquement sur les performances phénotypiques. De plus, l'ère génomique a renforcé la précision des valeurs génétiques prédites, notamment chez les jeunes candidats à la sélection. En particulier chez les bovins laitiers, la sélection génomique a permis de réduire de manière significative l'intervalle entre les générations.La prédiction génomique, aujourd'hui largement utilisée dans l'industrie, repose principalement sur des méthodes statistiques. Bien que ces méthodes soient efficaces, elles supposent que les valeurs génétiques sont principalement additives, et que les effets non additifs suivent une relation linéaire. Cette hypothèse peut limiter leur capacité à capturer toute la complexité de l'architecture génétique des caractères. En réalité, l'expression des caractères est influencée à la fois par des effets additifs et non additifs, et par des relations linéaires et non linéaires, ce qui peut introduire des erreurs systématiques de prédiction et limite la précision.L'apprentissage profond (deep learning, DL) est une approche de modélisation flexible, capable d'apprendre des motifs complexes à partir de données de grande dimension. Ces dernières années, il a suscité un intérêt croissant en génétique, notamment pour sa capacité à capturer des associations non linéaires entre les données génomiques et les phénotypes. Dans ses premières applications en génétique quantitative, le DL a été envisagé comme une alternative aux méthodes statistiques classiques pour la prédiction génomique, dans l'espoir d'améliorer la précision des prédictions. Cependant, de nombreuses études ont montré que le DL ne surpasse pas systématiquement les modèles statistiques.Plutôt que de chercher à remplacer les méthodes statistiques par le DL, l'objectif de cette thèse a été d'intégrer le DL aux méthodes statistiques pour répondre à deux problématiques majeures des programmes de sélection :(1) la possibilité de relations génétiques non linéaires entre caractères dans les modèles multi-caractères,(2) la prédiction des valeurs génétiques chez les animaux croisés, où les effets non additifs - et potentiellement non linéaires - comme la dominance ou l'hétérosis, jouent un rôle important.À travers des analyses sur données simulées et réelles, nous avons exploré l'application du DL pour ces deux objectifs. Nous montrons qu'il permet de capturer la complexité des relations génétiques entre caractères et au sein des populations croisées. Nos résultats suggèrent que l'intégration du DL aux méthodes statistiques peut égaler, voire dépasser, les performances des approches classiques, notamment lorsque l'architecture génétique sous-jacente est fortement non linéaire (cas des corrélations génétiques entre caractères) ou non additive (cas de la prédiction chez les animaux croisés). Les bénéfices du DL diminuent toutefois lorsque l'architecture génétique est principalement additive et linéaire.Enfin, ce travail de thèse montre que la combinaison du DL avec les approches statistiques traditionnelles offre non seulement un gain potentiel en précision de prédiction de la valeur génétique, mais aussi un outil pour mieux comprendre l'architecture complexe des caractères
Effet des strategies de fabrication sur le comportement dynamique en compression de structures architecturées 316L obtenues par procédés de fabrication additive (DED-LP et LPBF)
No full textDirected Energy Deposition Laser powder (DED-LP) process is primarily used for adding functions to existing parts and for repair applications. However, this process makes possible the manufacturing of large-scale components at much higher depositing rates compared to other Metallic Additive Manufacturing (MAM) processes. The increasing use of MAM processes developed the feasibility of complex geometries not achievable with conventional processes. Among them, metallic architected structures have gained increasing interest, particularly for their good energy absorption capacities. However, despite their promising potential, the DED-LP process remains little explored for architected structures due to its lower resolution and surface finish compared to other MAM processes. This thesis focuses on the use of DED-LP for the manufacturing of metallic architected structures, such as honeycomb structures, intended for energy absorption applications under dynamic loading conditions. The first step of this study is to develop manufacturing strategies by DED-LP that will produce large-scale architected structure with complex geometries. A variety of 2D-extruded honeycomb structures, including three different unit-cell patterns (Kagome, Square and Auxetic) with different levels of waviness within the vertical walls, are designed and manufactured. The objective is to better understand the influence of geometrical configurations on the mechanical behaviour of these structures, particularly in terms of crushing behaviour and energy absorption capacity. The study covers quasi-static, intermediate (∼6 m/s), and high strain-rate (∼300 m/s) conditions through a combination of indentation, dynamic impact, and ballistics tests. In parallel, some structures are produced using LPBF to compare MAM process effects. Experimental results demonstrate that certain patterns and waviness levels enhance axisymmetric deformation mechanisms, improving energy dissipation, while different collapse modes are observed for other geometries. The effect of loading type (local vs distributed) and strain rate is also emphasized, revealing that both the structures’ geometries and the MAM process choice are useful for performance optimization. These findings contribute to the development of industrial-scale architected structures for applications involving localized or widespread impacts, such as in defense and transport sectors. Therefore, this thesis offers insights into optimizing the DED-LP process to produce metallic architected structures, with recommendations on the selection of patterns and geometries to maximize energy absorption capabilities, depending on target applications such as ballistic impacts and widespread effects.Le procédé de fabrication additive par dépôt direct d’énergie avec poudre métallique (DED-LP) est principalement utilisé pour l’ajout de fonctions sur des pièces existantes ainsi que pour de la réparation. Toutefois, ce procédé permet également la fabrication de composants de grandes dimensions avec des vitesses de dépôt nettement supérieures à celles d’autres procédés de fabrication additive métallique (FAM). Les structures architecturées métalliques suscitent un intérêt croissant, notamment en raison de leurs capacités d’absorption d’énergie. Cependant, malgré son potentiel, le procédé DED-LP reste peu étudié pour la fabrication de telles structures, en raison de sa précision dimensionnelle et de son état de surface inférieurs à ceux possible par d’autres procédés de FAM. Cette thèse se concentre sur le procédé DED-LP pour la fabrication de structures architecturées métalliques, destinées à des applications d’absorption d’énergie soumises à des sollicitations dynamiques. La première étape consiste à développer des stratégies de fabrication par DED-LP permettant de produire des structures architecturées de grande échelle avec des géométries complexes. Trois motifs de remplissage (Kagome, Carré et Auxétique) avec différents niveaux de tortuosité des parois verticales, sont étudiés. L’objectif est de mieux comprendre l’influence des configurations géométriques sur le comportement mécanique de ces structures, en particulier en termes de capacité d’absorption d’énergie et de mécanismes de déformation. L’étude couvre des sollicitations quasi-statiques, intermédiaires (~6 m/s) et à grande vitesse (~300 m/s) à travers des essais d’indentation, d’impact dynamique et de balistique. En parallèle, certaines structures sont fabriquées par le procédé de fusion sur lit de poudre (LPBF) afin de comparer l’effet du procédé de FAM utilisé. Les résultats expérimentaux montrent que certains motifs et niveaux de tortuosité favorisent des mécanismes de déformation axisymétriques, améliorant la dissipation d’énergie, tandis que d’autres géométries présentent des modes d’effondrement différents. L’effet du type de sollicitation (locale ou répartie) et de la vitesse de déformation est également mis en évidence, montrant que les géométries des structures ainsi que le choix du procédé de FAM sont des leviers d’optimisation des performances. Ces résultats contribuent au développement de structures architecturées à l’échelle industrielle pour des applications soumises à des impacts localisés ou répartis, comme dans les secteurs de la défense ou du transport. Ainsi, cette thèse apporte des éléments pour optimiser le procédé DED-LP en vue de la fabrication de structures architecturées métalliques, guidant ainsi le choix des motifs et des géométries en fonction des applications ciblées, telles que les impacts balistiques ou les sollicitations réparties
Le maintien de la cohérence du jumeau numérique par rapport aux évolutions de son jumeau physique physique
No full textThis thesis proposes a generic and modular Digital Twin architecture centred around a Digital Twin Data Structure (DTDS). The DTDS abstracts the implementation details of physical entities, enabling standard interfaces for Digital Twin services, such as a Decision Support System (DSS). The proposed architecture includes a historical data management module, featuring a data transformation pipeline and an asynchronous data queue to ensure real-time performance. Additionally, coherence maintenance methodologies leverage the DTDS and DSS to synchronise the Digital Twin with its physical twin. The proposed system was validated through experiments using manufacturing equipment in the ENSAM platform and the platform of an academic partner. The evaluation assessed the architecture’s genericity, real-time performance, and effectiveness in integrating Digital Twin services. Results demonstrate the feasibility of a modular, scalable, and fully integrated Digital Twin architecture that incorporates historical data management and supports decision-making. This research contributes to the broader goal of developing a standardised Digital Twin architecture for Industry 4.0 applications in the manufacturing domain.Cette thèse propose une architecture générique et modulaire de jumelage numérique centrée sur une structure de données de jumelage numérique (DTDS). La DTDS fait abstraction des détails de mise en œuvre des entités physiques, permettant des interfaces standard pour les services de jumelage numérique, tels qu'un système d'aide à la décision (DSS). L'architecture proposée comprend un module de gestion des données historiques, avec un pipeline de transformation des données et une file d'attente asynchrone pour obtenir des performances en temps réel. En outre, les méthodologies de maintien de la cohérence s'appuient sur le DTDS et le DSS pour synchroniser le jumeau numérique avec son jumeau physique. Le système proposé a été validé par des expériences utilisant l'équipement de production de la plateforme de l'ENSAM et de la plateforme d'un partenaire universitaire. L'évaluation a vérifié la généricité de l'architecture, les performances en temps réel et l'efficacité de l'intégration des services de jumeau numérique. Les résultats démontrent la faisabilité d'une architecture de jumeau numérique modulaire, évolutive et entièrement intégrée qui incorpore la gestion des données historiques et soutient la prise de décision. Cette recherche contribue à l'objectif plus large de développer une architecture de jumeau numérique normalisée pour les applications de l'industrie 4.0 dans le domaine de la fabrication
Sources de lumière infrarouge à base de dispositifs de matériaux 2D et nano-antennes plasmoniques uniques.
No full textThe subject of light-matter interactions in the mid- and far-infrared ranges is of particular significance due to its association with enhanced energy management, a necessity that is particularly pressing in the present age. The comprehension, control and enhancement of phenomena associated with these technologies present both opportunities and challenges, ranging from radiative cooling to the improvement of photovoltaic panel performance. The objective of this study is to broaden our understanding of light emission by small-scale, sub-wavelength devices or devices based on 2D materials. Due to the equivalence between the absorption and emission properties of bodies, this work is situated at the intersection of two fields: the design of new infrared sources and the advancement of knowledge pertaining to the absorption of radiation by objects.The primary objective of this study is to enhance our comprehension of the behaviour exhibited by infrared meta-surfaces, which are typically arranged in a network configuration, through the analysis of the properties exhibited by a single particle. In order to accomplish this objective, we are utilising two highly sensitive signal detection methodologies, thus empowering us to measure the thermal emission of a solitary sub-wavelength object while it is embedded within the ambient infrared thermal radiation (spatially-modulated infrared spectroscopy, IR-SMS), or to probe its response on a very sub-wavelength scale (scanning near-field optical microscopy, SNOM). The present study underscores the significance of the near-field coupling that transpires between a cylindrical gold antenna deposited on a polar substrate. This coupling significantly alters the spectral emission characteristics of the antenna or substrate when considered separately, resulting in the assembly becoming a temporally coherent thermal emitter. This phenomenon can be attributed to the presence of surface electromagnetic waves confined to the interface between polar materials, such as silicon carbide or quartz, and air. In the spectral band in which such waves exist, gold antennae have been observed to exhibit a negative effective extinction cross-section. This phenomenon has not been reported in experimental studies to our knowledge.Secondly, this work describes the observations made on high-quality graphene field-effect transistors (HGFETs). We demonstrate the appearance of an electroluminescent infrared emission regime linked to the pumping of graphene electrons into a highly non-equilibrium state, thanks in particular to the Zener-Klein tunneling effect. This electroluminescence regime is manifested by the excitation of electromagnetic modes in the material encapsulating the graphene of transistors, hexagonal boron nitride, where they are confined, making their detection in the far field inaccessible. However, the IR-SMS experiment enabled us to detect and characterise these waves following their scattering by discontinuities in the structure, enabling us to experimentally confirm their electroluminescent nature. We then show that these modes represent a tiny fraction of the energy emitted by graphene, and that they are accompanied by a very efficient transfer of energy to the substrate, exceeding by several orders of magnitude the cooling capacities of conventional electroluminescent devices such as LEDs.Les interactions lumière-matière dans les gammes infrarouges moyenne et lointaine représentent un défi d'ampleur de par leurs liens avec une meilleure gestion de l’énergie, plus que nécessaire de nos jours. Du refroidissement radiatif à l’amélioration des performances des panneaux photovoltaïques, la compréhension, la maîtrise et l’optimisation des phénomènes relatifs à ces technologies offrent autant d’opportunités que d’interrogations. Ce travail vise ainsi à approfondir les connaissances sur l’émission de lumière par des dispositifs à petite échelle, sub-longueur d’onde ou à base de matériaux 2D. De par l’équivalence entre les propriétés d’absorption et d’émission des corps, ce travail se situe donc à l’intersection entre la conception de nouvelles sources infrarouges, et l’approfondissement de notre maîtrise de l’absorption de rayonnement par les objets.Dans un premier temps, nous cherchons à parfaire la compréhension du comportement des méta-surfaces infrarouges, généralement organisées en réseau, en étudiant les propriétés d’une particule unique. Pour cela, nous utilisons des méthodes de détection de signal extrêmement sensible, nous permettant de mesurer l’émission thermique d’un seul objet sub-longueur d’onde alors même qu’il est noyé dans le rayonnement thermique infrarouge ambiant (spectroscopie infrarouge par modulation spatiale, IR-SMS), ou encore de sonder leur réponse à une échelle fortement sub-longueur d’onde (microscopie optique de champ proche à balayage, SNOM). Nos travaux font émerger l’importance du couplage en champ proche se produisant entre une antenne cylindrique en or déposée sur un substrat polaire. En particulier, ce couplage vient modifier drastiquement les caractéristiques spectrales d’émission de l’antenne ou du substrat considérés séparément, faisant de l’ensemble un émetteur thermique temporellement cohérent, ce qui s’explique par l’existence d’ondes électromagnétiques de surface confinées à l’interface entre les matériaux polaires comme le carbure de silicium ou le quartz, et l’air. En dehors de la bande spectrale d’existence de telles ondes, les antennes d’or présentent une section efficace d’extinction négative, ce qui n’a jamais été rapporté expérimentalement à notre connaissance.Dans un second temps, ce travail décrit les observations faites sur des transistors à effet de champ à base graphène haute qualité (HGFET). Nous mettons en évidence l’apparition d’un régime d’émission infrarouge électroluminescente lié au pompage des électrons du graphène dans un état fortement hors-équilibre grâce notamment à l’effet tunnel de Zener-Klein. Ce régime d’électroluminescence se manifeste par l’excitation de modes électromagnétiques dans le matériau encapsulant le graphène des transistors, le nitrure de bore hexagonal, où ils sont confinés, rendant leur détection en champ lointain inaccessible. L’expérience IR-SMS permet toutefois de détecter et caractériser ces ondes suite à leur diffusion par des discontinuités dans la structure, permettant de confirmer expérimentalement leur caractère électroluminescent. Nous montrons ensuite que ces modes représentent une infime partie de l’énergie émise par le graphène, et qu’ils s’accompagnent d’un transfert très efficace d’énergie vers le substrat, dépassant de plusieurs ordres de grandeurs les capacités de refroidissement des dispositifs électroluminescents usuels, comme les LED