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Méthodologie de validation de la simulation immersive de gestes complexes en environnement industriel
No full textThis thesis investigates the use of immersive technologies, such as virtual reality (VR) and augmented reality (AR), to enhance training in the field of nuclear maintenance. Given the specific challenges of this industry—hostile environments, the need for extreme precision, limited availability of equipment for training, and strict safety requirements—it is essential to develop effective and tailored training methods.The work proposes a methodology for classifying operational tasks based on three main dimensions: task family (procedural, psychomotor), type of interaction (physical, virtual), and required skills. This classification facilitates the evaluation and selection of the most appropriate immersive technologies for each task type, thereby optimizing resources and improving safety.Two main experiments were conducted:Impact of tangible objects and haptic feedback on procedural learning: This study evaluated the effectiveness of using tangible control interfaces in VR for skill transfer to real-world tasks. The results indicate that for procedural tasks involving moderate physical interactions, using virtual interfaces without tangible supports can be equally effective, or even superior, in terms of learning transfer.Influence of AI-based conversational agents on psychomotor learning: The second study explored how learning in a non-immersive virtual environment, enriched by an intelligent conversational assistant, affects the transfer of psychomotor skills to real situations. The findings suggest that this approach can significantly improve skill transfer compared to learning in immersive VR.Software tools were developed to apply the classification methodology, facilitate the setup of experiments, and collect data via standardized questionnaires. These tools form a foundation for an evolving methodological guide, adaptable to different industrial contexts.In conclusion, this thesis proposes a methodological approach and concrete solutions to improve training in nuclear maintenance. It demonstrates that immersive technologies, when thoughtfully integrated and tailored to the specificities of tasks, can offer significant advantages in terms of safety, efficiency, and quality of learning.Cette thèse examine l'utilisation des technologies immersives, telles que la réalité virtuelle (RV) et la réalité augmentée (RA), pour améliorer la formation dans le domaine de la maintenance nucléaire. Face aux défis spécifiques de cette industrie—environnements hostiles, besoin de précision extrême, disponibilité limitée des équipements pour la formation et exigences strictes de sécurité—il est essentiel de développer des méthodes de formation efficaces et adaptées.Le travail propose une méthodologie de classification des tâches opérationnelles basée sur trois dimensions principales : la famille de tâches (procédurales, psychomotrices), le type d'interaction (physique, virtuelle) et les compétences requises. Cette classification facilite l'évaluation et la sélection des technologies immersives les plus appropriées pour chaque type de tâche, optimisant ainsi les ressources et améliorant la sécurité.Deux expérimentations principales ont été menées :Impact des objets et appuis tangibles sur l'apprentissage procédural : Cette étude a évalué l'efficacité de l'utilisation d'interfaces de commande tangibles en RV pour le transfert de compétences vers des tâches réelles. Les résultats indiquent que, pour des tâches procédurales avec interactions physiques modérées, l'utilisation d'interfaces virtuelles sans supports tangibles peut être tout aussi efficace, voire supérieure, en termes de transfert d'apprentissage.Influence des agents conversationnels basés sur l'IA sur l'apprentissage psychomoteur : La seconde étude a exploré comment l'apprentissage en environnement virtuel non immersif, enrichi par un assistant conversationnel intelligent, affecte le transfert de compétences psychomotrices vers le réel. Les résultats suggèrent que cette approche peut améliorer significativement le transfert de compétences par rapport à l'apprentissage en RV immersive.Des outils logiciels ont été développés pour appliquer la méthodologie de classification, faciliter la mise en place d'expérimentations et collecter des données via des questionnaires standardisés. Ces outils constituent une base pour un guide méthodologique évolutif, adaptable à différents contextes industriels.En conclusion, cette thèse propose une approche méthodologique et des solutions concrètes pour améliorer la formation en maintenance nucléaire. Elle démontre que les technologies immersives, lorsqu'elles sont judicieusement intégrées et adaptées aux spécificités des tâches, peuvent offrir des avantages significatifs en termes de sécurité, d'efficacité et de qualité de l'apprentissage
Biomécanique de verrouillage distal du clou centro-médullaire.
No full textThe intramedullary nailing is one of the most commonly used techniques to fix broken long bones in the human body. The intramedullary nailing technique is increasingly used not only in diaphyseal bone fractures but also around the metaphyseal areas. It offers a relatively minimal surgical approach allowing to keep more of the soft tissues intact and thus accelerating recovery and overall functional outcome. The intramedullary nail must be locked proximally and distally to maintain good longitudinal and rotational stability. The proximal locking can be done using an automatic aiming device as there is almost no deformation of the nail in the proximal area. The automatic mechanical aiming device cannot be used distally because of the nail deformation and a shift of locking holes. The most commonly used technique for distal locking is a freehand technique.The purpose of this work was to study the phenomena that take place around the distal locking screw and to analyse the interaction between the bone and the distal locking screw of intramedullary nail in order to better understand whether the position of the screw can have influence to the bone resistance and eventually to the fracture propagation if it occurs in the contact area. To achieve this goal the study was done in several stages. The first part involved an experimental work with the purpose to understand the local strain phenomena occurring at the interface between the bone and a metallic rod. It included medical imaging and compression experimentation. Three groups of 15 specimens were used. Local mechanical compression loadings at different quasi-static strain rates were imposed to the rod placed on the bone specimen. Medical imaging was used before and after the experimentation in order to evaluate different parameters including the geometrical shape of the bone and the bone matter density in distinguished areas under the metallic rod as well as to evaluate the extent of bone damage and the fracture propagation that occur during compression. This in vitro experimentation allowed to evaluate the phenomena occurring due the local loading.The results in this phase of the study have shown no statistical significance in fracture propagation regrading the BV/TV ratio and geometry of the bone. In fact, the fractures propagated mostly always in a longitudinal direction under the rod which means that there must be other factors involved in containing the fracture, such as collagen fibres, other proteins and substances. Without surprise more bone fractures occurred in greater displacement groups.The second phase involved another experimental work which approached the real conditions that take place during the mechanical loading of the intramedullary nail locking screw. There were 3 groups of 6 specimens, each group defined by the distal locking screw aiming angle.Introducing some alignment error and comparing it to the reference where the screw is perpendicularly inserted to the nail permitted to evaluate the influence of the position change to the strain and eventually the fracture propagation.This part of the study showed statistical differences between group with 15° locking screw angulation in vertical plane and control group regarding the end of linear behaviour. In fact, the linear behaviour ended after a much shorter distance of displacement and required less force. This means that the 15° range of error could be acceptable in intramedullary nail distal locking in horizontal plane, but may destabilize the structure with less strain if it is put at 15° angle in vertical plane. This has potential clinical impact. As seen in the second part of this study, which is also consistent with clinical findings, there were much more screw ruptures than complete bone fractures. This shows that though the Young's modulus of the steal is much higher, its position in the overall nail-bone-screw structure exposes it to potential damage.L'enclouage centromédullaire est une des techniques les plus utilisées de fixation des os longs chez l'homme. Cette technique est de plus en plus utilisée non seulement pour fixer les fractures diaphysaires mais aussi des fractures autour des régions métaphysaires. Elle permet d'utiliser la voie d'abord relativement minime et de respecter les tissus mous autour de la fracture ce qui accélère le rétablissement et le résultat fonctionnel. Le clou centromédullaire doit être verrouillé en proximal et en distal pour que la stabilité longitudinale et rotatoire soit maintenue. Le verrouillage proximal peut être fait de manière automatique en utilisant un guide attaché au clou, car il n'y a presque pas de déformation du clou dans la région proximale. Il ne peut pas être utilisé en distal, car à cause d'une déformation du clou les trous de verrouillage se décalent. La technique la plus utilisée pour le verrouillage distal est la technique à main levée.L'objectif de ce travail a été d'étudier les phénomènes qui ont lieu au niveau de la vis de verrouillage distal et d'analyser l'interaction entre l'os et la vis afin de mieux comprendre si la position de la vis peut avoir de l'influence sur la résistance de l'os et éventuellement sur la propagation de fracture si celle-ci survient au niveau de contact. L'étude a été menée en deux parties. La première partie a impliqué le travail expérimental dans le but de comprendre les phénomènes de contrainte locale présente à l'interface entre l'os et un barreau métallique. Trois groupes de 15 échantillons ont été utilisés. Une compression mécanique locale quasi statique à des déplacements différents a été imposée au barreau métallique posé sur l'os. L'imagerie médicale a été faite avant et après l'expérimentation afin d'évaluer des paramètres : l'aspect géométrique de l'os, la quantité de substance osseuse, l'endommagement osseux et une propagation de fracture survenue éventuellement pendant la compression. Cette expérimentation a permis d'évaluer les phénomènes liés au chargement local. Elle n'a pas démontré de résultats statistiquement significatifs concernant le lien entre la propagation de fracture et le rapport BV/TV mais aussi la géométrie de l'os. Le trait de fracture se propageait dans la plupart des cas de manière longitudinale ce qui voudrait dire qu'il existe d'autres facteurs impliqués dans la contention de fracture comme des fibres de collagène, d'autres protéines et des substances. Sans surprise, les fractures étaient peu nombreuses dans les groupes de déplacement plus important.La deuxième partie a impliqué un travail expérimental qui se rapprochait des conditions réelles présentes au niveau de la vis de verrouillage distal du clou centromédullaire. Trois groupes de six échantillons ont été utilisés. Ces groupes ont été définis par l'angle de visée de la vis.Une certaine erreur d'alignement a été introduite et comparée à la direction perpendiculaire de verrouillage distal du clou ce qui a permis d'évaluer l'influence de changement de la position sur la contrainte et éventuellement une propagation de fracture.Cette partie a démontré une différence statistiquement significative entre le groupe où le verrouillage distal a été effectué à l'angle de 15° dans le plan vertical et le groupe de contrôle par rapport à la perte de la linéarité de comportement. La fin du comportement linéaire a été observée à une distance de déplacement moindre et a nécessité moins de force. Une erreur de 15° pourrait être acceptable dans le plan horizontal lors du verrouillage distal mais pourrait entraîner une déstabilisation de structure avec moins de contrainte en cas d'erreur de 15° dans le plan vertical. Cette partie d'étude a aussi démontré qu'il y avait beaucoup plus de fracture de vis que de fracture osseuse. Ces résultats montrent que même si le module de Young d'acier est beaucoup plus important, sa position dans la structure globale clou – os – vis l'expose à un potentiel endommagement
Amélioration de la propulsion de systèmes prothétiques pour personnes amputées transfémorales
No full textDespite technological advances, lower-limb amputation still has a major negative impact on quality of life and mobility, particularly in the case of transfemoral (TF) amputations. Among other things, this is reflected by an increase in oxygen consumption which, at equivalent walking speed, is around 25% for transtibial (TT) amputees and 50% for TF amputees, compared with non-amputees. Some of this oxygen overconsumption could be due to a lack of energy return by the prosthetic foot. The Synsys prosthesis, the result of a long-term collaboration between the IBHGC and Proteor, is a new microprocessor-based knee-ankle prosthesis with a hydraulic system that enables synergy between the two joints. The aim of this thesis is therefore twofold: firstly, to contribute to understand the link between the energy returned by the prosthetic foot, its role during walking and the oxygen consumption of TF amputees; and secondly, to improve the Synsys prosthetic foot in order to reduce the energy consumption of its users.The state of the art has highlighted the fact that no study has simultaneously quantified mechanical work and metabolic consumption during walking by TF amputees. The link between these two quantities is therefore still poorly understood. On the other hand, the literature has shown that the initiation of flexion of the prosthetic knee could limit the generation of power to the limb fitted during the push-off phase. We therefore proposed two complementary studies to help understand the link between the energy returned to the prosthetic foot, the mechanical work performed on the fitted limb and the oxygen consumption of TF amputees. The first study was carried out on a large cohort of 155 participants and investigated the effect of amputation level and walking speed on the mechanical work of lower-limb amputees. We showed firstly that TF amputees performed the same amount of push-off work with their prosthetic foot as TT amputees, but that they performed significantly less push-off work with their fitted limb; and secondly that in TF amputees this push-off work with the fitted limb remained constant with walking speed despite the increase in energy returned to the foot. The second study was carried out in a complementary manner to illustrate the effect of a reduction in the energy returned to the prosthetic foot. Oxygen consumption during walking was compared between the presence and total absence of energy returned to the foot, in non-amputees walking with a TF amputation simulator. No difference in oxygen consumption was found between the two configurations.Finally, we sought a technological means of facilitating the flexion of the prosthetic knee to increase the push-off work of the fitted limb and reduce the metabolic consumption of TF amputees. A new prototype prosthetic foot was developed for the Synsys prosthesis with this in mind, in order to make the most of its hydraulic system. Finite element simulations and 3D printing using Fused Deposition Modeling (FDM) enabled rapid and low-cost prototyping. The safety of this prototype was tested mechanically and its effect on metabolic consumption was assessed in a participant. This prototype made it possible to increase the push-off work of the fitted limb as a function of walking speed, compared with reference prostheses on the market. However, no reduction in oxygen consumption was observed, probably due in part to the negative effect of adding weight.Malgré les avancées technologiques, l’amputation d’un membre inférieur a toujours un fort impact négatif sur la qualité de vie et la mobilité, en particulier dans le cas d'amputation transfémorale (TF). Ceci se manifeste entre autres par une augmentation de la consommation en oxygène qui, à vitesse de marche équivalente, est de l’ordre de 25% pour les personnes amputées transtibiales (TT) et de 50% pour les personnes amputées TF, par rapport aux personnes non amputées. Une partie de cette surconsommation en oxygène pourrait provenir d’un manque de restitution d’énergie au pied prothétique. La prothèse Synsys, issue de la collaboration entre l’IBHGC et Proteor est une nouvelle prothèse genou-cheville à microprocesseur dont le système hydraulique permet une synergie entre les deux articulations. L’objectif de cette thèse est donc double : il s'agit d’une part de participer à la compréhension du lien entre l’énergie restituée au niveau du pied prothétique, son rôle pendant la marche et la consommation en oxygène des personnes amputées TF ; et d'autre part d’améliorer le pied prothétique du Synsys dans l’optique de diminuer la consommation énergétique de ses utilisateurs.L’état de l’art à mis en avant qu’aucune étude n’a quantifié simultanément le travail mécanique et la consommation métabolique lors de la marche de personnes amputées TF. Le lien entre ces deux grandeurs est donc encore mal compris. D’autre part, la littérature a montré que l’initiation de la flexion du genou prothétique pourrait limiter la génération de puissance au membre appareillé durant la phase de propulsion. Nous avons donc proposé deux études complémentaires participant à la compréhension du lien entre l’énergie restituée au pied prothétique, le travail mécanique réalisé au membre appareillé et la consommation en oxygène des personnes amputées TF. La première étude a été menée sur une vaste cohorte de 155 participants et a permis d’investiguer l’effet du niveau d’amputation et de la vitesse de marche sur le travail mécanique des personnes amputées d’un membre inférieur. Nous avons montré d'une part que les personnes amputées TF réalisaient la même quantité de travail de propulsion avec leur pied prothétique que les personnes amputées TT, mais qu'ils réalisaient significativement moins de travail de propulsion avec leur membre appareillé ; et d'autre part que chez les personnes amputées TF ce travail de propulsion au membre appareillé restait constant avec la vitesse de marche malgré l'augmentation de l'énergie restituée au pied. La seconde étude a été menée de manière complémentaire pour caricaturer l’effet d’une diminution d’énergie restituée au pied prothétique. Pour cela, la consommation en oxygène lors de la marche a été comparée entre la présence et l’absence totale d’énergie restituée au pied, chez des personnes non amputées marchant avec un simulateur d’amputation TF. Aucune différence de consommation en oxygène n’a été trouvé entre les deux configurations.Enfin, nous avons cherché un moyen technologique de faciliter la flexion du genou prothétique pour permettre d’augmenter le travail de propulsion au membre appareillé et diminuer la consommation métabolique des personnes amputées TF. Un nouveau prototype de pied prothétique a été développé pour la prothèse Synsys dans ce sens, afin de tirer parti au mieux de son système hydraulique. Des simulations par éléments finis et une fabrication en impression 3D par dépôt de fil fondu ont permis un prototypage rapide et peu coûteux. La sécurité de ce prototype a été testée mécaniquement et son effet sur la consommation métabolique a été évalué chez un participant. Ce prototype a permis d’augmenter le travail de propulsion au membre appareillé en fonction de la vitesse de marche et par rapport à des prothèses commercialisée de référence. Toutefois, aucune diminution de la consommation en oxygène n’a été observée, probablement en partie à cause de l’effet négatif de l’ajout de poids
Création d'une méthode outillée d'innovation organisationnelle permettant de co-concevoir l'Expérience Employé (Design for EE)
No full textEmployees' expectations of work are changing. Organizations need to take these needs into account to maintain productivity, commitment, performance and attractiveness. As a result, organizations are seeking to implement organizational changes that will improve their employees' experience of work. However, there are few methodologies available to support organizations, and particularly the Human Resources function, in implementing organizational innovations aimed at improving the employee experience. Conversely, there are a large number of tools and methodologies for designing products, drawn from the fields of design and engineering that take user needs into account and improve the customer experience. Our research aims to formalize a tool-based methodology for designing, with employees, organizational innovations to improve the employee experience. To achieve this, we used the principle of synectics between product innovation and organizational innovation, and formalized a tool-based methodology we called Design for Employee Experience (DfEE). During this research, two experiments were conducted within Cartier. The first experiment enabled us to validate the hypothesis that the DfEE methodology contributes to support and engage employees in the organizational innovation process, and that it contributes to sustainably improve the employee experience. A second experiment enabled us to demonstrate the relevance of supporting Human Resources skills development in order to sustain the implementation of employee experience co-design processes. This PhD dissertation contributes to scientific and industrial research by providing method and tools to improve the employee experience though co-design processes.Les attentes des salariés vis à vis du travail évoluent. La prise en compte de ces besoins par les entreprises devient nécessaire pour maintenir la productivité, l’engagement, la performance et l’attractivité. Les entreprises cherchent de ce fait à mettre en place des changements organisationnels permettant d’améliorer l’expérience au travail de leurs employés. Cependant, il existe peu de méthodologies outillées permettant d’accompagner les entreprises, et particulièrement la fonction des Ressources Humaines, dans la mise en œuvre d’innovations organisationnelles visant à améliorer l’expérience employé. A l’inverse, il existe de nombreuses méthodologies outillées, issues du design et de l’ingénierie, permettant de concevoir des produits en prenant en compte les besoins des utilisateurs et permettant d’améliorer l’expérience client. Notre recherche vise à formaliser une méthodologie outillée afin de concevoir, avec les employés, des innovations organisationnelles permettant d’améliorer l’expérience employé au sein de l’entreprise. Pour cela, nous avons utilisé le principe de synectique entre l’innovation produit et l’innovation organisationnelle et nous avons formalisé une méthodologie outillée que nous avons appelé Design for Employee Experience (DfEE). Dans le cadre de cette recherche-action, deux expérimentations ont été menées au sein de l’entreprise Cartier. Une première expérimentation nous a permis de valider l’hypothèse selon laquelle la méthodologie DfEE permet d’accompagner et d’engager les collaborateurs dans le processus d’innovation organisationnelle et qu’elle contribue à améliorer durablement l’expérience employé. Une seconde expérimentation, nous a permis de démontrer la pertinence de l’accompagnement à la montée en compétences des Ressources Humaines afin de pérenniser la mise en œuvre de processus de co-conception d’expérience employé. Ces travaux de thèse participent à la recherche scientifique et industrielle en outillant les processus d’innovation organisationnelle permettant de co-concevoir l’expérience employé
Circuits neuromorphiques à base de matériaux quantiques : dynamiques de transition du VO2
No full textAs AI demands grow, new computing paradigms are essential. Traditional von Neumann architectures struggle with intensive AI requirements. Neuromorphic computing, inspired by the brain, integrates processing and memory for faster, efficient computation, ideal for AI applications like deep learning and pattern recognition.Key materials for neuromorphic computing include synaptors and neuristors. Memristors, non-volatile memories made from oxides like HfO2 and TiO2, mimic synaptic behavior by switching states via nanoscale filaments or phase transitions. Neuristors emulate neuron spiking behavior using memristors and resistance-capacitance circuits to replicate the Leaky, Integrate, and Fire model. Mott insulators like VO2 mimic neuron-like behavior by forming volatile conductive pathways. However, synaptors and neuristors often require different materials. Optimizing VO2 for synaptic behavior could enable it to serve both functions at room temperature.Studying phase-separated systems like VO2 is complex due to inhomogeneities. Advances in infrared and optical microscopy now allow imaging these regions with nanometer-scale resolution. Near-field techniques, using atomic force microscopes coupled to IR lasers, can probe local conductivity at the nanoscale. However, these probes have limitations: (i) long scans for larger inhomogeneities and (ii) temperature-driven phase transitions causing temperature drifts and difficult imaging comparisons.To address these, we developed a far-field optical microscopy setup to study VO2 phase transitions. This setup leverages optical contrast between insulating and metallic phases, observable from nanometers to microns. We applied different temperature protocols while continuously imaging, counteracting temperature drift and aligning sharp images. This enables single-pixel time traces to indicate specific phase transition temperatures.We first mapped critical temperature (Tc), transition width (ΔTc), and transition sharpness (δTc) in VO2. These maps could enable tailoring VO2 properties for specific applications like memory devices and fast switching components.We also presented the first optical imaging of ramp reversal memory (RRM) in VO2, showing cluster evolution during thermal subloop training. Memory accumulation occurs at cluster boundaries and within patches, suggesting preferential diffusion of point defects. This could enhance memory effects through defect engineering, improving memory devices' robustness and stability.Additionally, we pursued a machine learning (ML) analysis of fractal patterns in VO2, using ML to classify the Hamiltonian driving pattern formation. Our convolutional neural network (CNN) achieved high accuracy with synthetic and experimental data, confirming pattern formation driven by proximity to a critical point of the two-dimensional random field Ising model. This framework, combined with symmetry reduction and confidence quantification, offers a new powerful tool for analyzing complex phase transitions in correlated materials.Our research provides a new optical characterization method for understanding VO2 transition dynamics and introduces innovative approaches for optimizing VO2 for non-memory applications. These insights lay a foundation for future studies that explore RRM's potential, and extend ML frameworks to other correlated materials.Alors que les exigences en matière d'IA augmentent, de nouveaux paradigmes informatiques deviennent essentiels. Les architectures traditionnelles de von Neumann peinent à répondre aux exigences intensives de l'IA. L'informatique neuromorphique, inspirée par le cerveau, intègre traitement et mémoire pour une computation plus rapide et efficace, idéale pour des applications d'IA comme l'apprentissage profond et la reconnaissance de formes. Les matériaux clés pour l'informatique neuromorphique incluent les synaptors et les neuristors. Les memristors, des mémoires non volatiles fabriquées à partir d'oxydes tels que HfO2 et TiO2, imitent le comportement synaptique en changeant d'état via des filaments à l'échelle nanométrique ou des transitions de phase. Quant aux neuristors, ils imitent le celui du déclenchement des neurones en utilisant des memristors et des circuits résistance-condensateur reproduisant le modèle LIF (Leaky, Integrate, and Fire). À température ambiante, l’isolant de Mott VO2 remplit les fonctions neuronales en formant des chemins conducteurs volatiles. Cependant, les synaptors et les neuristors nécessitent souvent des matériaux différents. L'optimisation de VO2 comme synapse pourrait lui permettre de remplir les deux fonctions à température ambiante.Étudier des systèmes à séparation de phases comme VO2 reste complexe en raison des inhomogénéités. Les avancées en microscopie infrarouge et optique permettent désormais d'imager ces régions avec une résolution nanométrique. Les techniques de champ proche peuvent sonder la conductivité locale à l'échelle nanométrique. Cependant, ces sondes ont des limites : (i) des scans longs pour les inhomogénéités plus grandes et (ii) des transitions de phase induites par la température causant des dérives thermiques et des comparaisons d'images difficiles. Pour y remédier, nous avons développé un système de microscopie optique à champ lointain pour étudier les transitions de phase dans le VO2. Ce système exploite le contraste optique entre les phases isolantes et métalliques, observable des nanomètres aux microns.Nous avons mis en œuvre différents protocoles de température en imagerie continue, compensant la dérive thermique et alignant des images nettes. Cela permet des traces temporelles de pixels uniques pour indiquer les températures spécifiques de transition de phase. Nous avons tout d’abord cartographié la température critique (Tc), la largeur de transition (ΔTc) et leur netteté (δTc). Ces cartographies pourraient permettre d'adapter les propriétés du VO2 pour des applications spécifiques comme les dispositifs de mémoire et les composants à commutation rapide. Nous avons également présenté la première imagerie optique de la mémoire à inversion de rampe (RRM) dans le VO2, montrant l'évolution des clusters pendant l'entraînement thermique. L'accumulation de mémoire se produit aux frontières des clusters et à l'intérieur des patchs, suggérant une diffusion préférentielle des défauts ponctuels.De plus, nous avons mené une analyse d'apprentissage automatique (ML) des motifs fractals dans le VO2, en utilisant le ML pour classifier l'Hamiltonien, conduisant à la formation de motifs. Notre réseau neuronal convolutionnel (CNN) a atteint une haute précision avec des données synthétiques et expérimentales, confirmant la formation de motifs due à la proximité d'un point critique du modèle Ising 2D à champ aléatoire. Cela, combiné à la réduction de symétrie et à la quantification de confiance, offre un puissant nouvel outil pour analyser les transitions de phase complexes dans les matériaux corrélés. Notre recherche fournit une nouvelle méthode de caractérisation optique pour comprendre la dynamique de transition du VO2 et introduit des approches innovantes pour des applications non-mémoires. Ces perspectives posent les bases d'études futures explorant le potentiel de la RRM et étendant les cadres ML à d'autres matériaux corrélés
Céramiques eutectiques Al2O3-ZrO2 et Al2O3-ZrO2-YAG par fusion laser sélective de lits de poudre (L-PBF) : Du design de poudres auto-absorbantes à la stabilité microstructurale des pièces 3D
No full textEutectic oxide ceramics are promising materials for future aerospace components by addressing the challenges of weight reduction and increased operating temperature of turbojet engines. These materials possess excellent resistance to creep and oxidation at high temperatures. However, their use in this field is limited due to the difficulty in obtaining parts with complex geometries through conventional manufacturing processes (such as directional solidification, casting, etc.). The additive manufacturing process of laser powder bed fusion (L-PBF) allows the production of such parts, albeit with a fine and oriented microstructure. Nevertheless, the application of the L-PBF process to oxide ceramics is hindered by their low capacity to absorb near-infrared laser radiation and their poor resistance to crack propagation. To overcome these limitations, this thesis, in collaboration with Saint-Gobain Recherche Provence, has developed homogeneous and intrinsically absorbent oxide ceramic powders of binary eutectic composition (Al2O3-ZrO2) and ternary eutectic composition (Al2O3-ZrO2-YAG). The differential thermal analysis (DTA) and thermogravimetric analysis (TGA) response of these powders when subjected to elevated temperatures in air is crucial for understanding the laser/matter interaction and the resulting microstructures during the fabrication of beads and 3D parts via L-PBF. This work aims to study the impact of manufacturing parameters on the microstructure, formed phases, and cracking. The morphology and dimensions (depth, width) of the melt pools are studied in order to obtain, through an analytical model derived from stereolithography, optical and energetic properties that allow the characterization of the radiation/matter interaction of these innovative powders. The absorbance of the powders is calculated both by measuring the cross-sectional area of the melt pool and by the optical and energetic properties obtained, thereby allowing the absorbances of the powders to be ranked. The fine and non-equilibrium microstructures, as well as the orientation relationships of the phases obtained by L-PBF, are characterized and compared to those obtained by directional solidification. Finally, the high-temperature aging conducted on the Al2O3-ZrO2 eutectic allows the observation of the evolution of the microstructure over time and at different temperatures. Understanding the grain growth mechanisms is of great interest in being able to predict the behavior of the material in service.Les céramiques oxydes eutectiques sont des matériaux prometteurs pour les futurs composants aéronautiques en répondant aux problématiques d'allègement et d'augmentation de la température de fonctionnement des turboréacteurs. Ces matériaux possèdent une excellente résistance au fluage et à l'oxydation à haute température. Cependant, leur utilisation dans ce domaine est limitée en raison de la difficulté à obtenir des pièces aux géométries complexes par les procédés de fabrication conventionnels (solidification dirigée, coulée…). Le procédé de fabrication additive par fusion laser de lits de poudre (L-PBF) permet de réaliser de telles pièces avec toutefois une microstructure fine et orientée. Néanmoins, l'application du procédé L-PBF aux céramiques oxydes est freinée par leur faible capacité d'absorption des rayonnements des lasers proches infrarouge et par leur faible résistance à la propagation de fissures. Pour surmonter ces limitations, cette thèse, en collaboration avec Saint-Gobain Recherche Provence, a développé des poudres céramiques oxydes homogènes et intrinsèquement absorbantes de composition eutectique binaire (Al2O3-ZrO2) et ternaire (Al2O3-ZrO2-YAG). La réponse en ATD et ATG de ces poudres soumises à une élévation de la température sous air est cruciale pour comprendre l'interaction laser/matière et les microstructures qui en résultent lors de la fabrication de cordons et de pièces 3D par L-PBF. Ces travaux visent à étudier l'impact des paramètres de fabrication sur la microstructure, les phases formées et la fissuration. La morphologie et les dimensions (profondeur, largeur) des bains de fusion sont étudiées afin d'obtenir, grâce à un modèle analytique issu de la stéréolithographie, des propriétés optiques et énergétiques permettant de caractériser l'interaction rayonnement/matière de ces poudres innovantes. Les absorbances des poudres sont calculées à la fois par la mesure de la surface transversale du bain et par les propriétés optiques et énergétiques obtenues, permettant ainsi de classer les absorbances des poudres. Les microstructures fines et hors-équilibres ainsi que les relations d'orientation des phases obtenues en L-PBF sont caractérisées et comparées à celles obtenues par solidification dirigée. Enfin, le vieillissement à hautes températures mené sur l'eutectique Al2O3-ZrO2 permet d'observer l'évolution de la microstructure dans le temps et en fonction de différentes températures. La compréhension des mécanismes de croissance des grains est d'un grand intérêt pour pouvoir prédire le comportement du matériau en service
Évaluation instrumentale et sensorielle des produits alimentaires pour la gestion des troubles salivaires et de la déglutition
No full textSwallowing disorders, also known as dysphagia, are a leading cause of malnutrition and dehydration for older people. In this study, a toolbox of preclinical methods is developed to evaluate food products to manage swallowing disorders and xerostomia, the dry mouth sensation induced by the alteration of salivary flow rate.As a first illustration of the use of these preclinical tools, different natural extracts were produced and compared to human saliva, in terms of both shear and extensional rheological properties. The most promising formulations, obtained from flaxseed extracts, were used to formulate natural salivary substitutes (NSS) and texture adapted semi liquid foods, to promote lubrication and address the needs of people suffering from xerostomia. In addition, the ability of NSSs and modified semi liquid foods to limit post-swallowing oral residues was determined with an in vitro soft-robotic swallowing simulator and con-firmed by sensory analysis on healthy subjects.Three-dimensional printing was used to produce foods with controlled structures, resulting in different yielding behaviors, paving the way to texture adaptation to manage sarcopenia. NSS performance in terms of hydration and lubrication of these 3D-printed structures was also explored, in vitro.This study highlights i) the relevance of this pre-clinical toolbox, including the in vitro experiments simulating food oral processing, to support the development of personalized food products and food for special medical purposes ii) the peculiar rheological properties and lubricity of flaxseed ex-tracts and their strong potential as a NSS or texture modifier, and iii) the interest of controlling food structure via 3D printing to modulate food hydration and the mechanical and yielding behavior.Les troubles de la déglutition sont l'une des principales causes de malnutrition et de déshydratation chez les personnes âgées. Cette étude présente une boîte à outils de méthodes précliniques pour évaluer les produits alimentaires destinés à pallier les symptômes des troubles de la salivation et de la déglutition. Une première illustration de cette approche concerne la conception de substituts salivaires naturels (SSN) et d'aliments semi-liquides à texture adaptée. Différents extraits naturels ont été produits et comparés à la salive humaine en termes de propriétés rhéologiques en cisaillement et en extension, ce qui a permis de sélectionner des formulations naturelles à base d'extraits de graines de lin au fort potentiel. La capacité de ces formulations à limiter les résidus oraux après déglutition a été confirmée à l'aide d'un simulateur de déglutition soft-robotique in vitro et par analyse sensorielle. L'impression 3D alimentaire a été aussi utilisée pour produire des aliments avec aux structures contrôlées afin d'adapter la texture d‘aliments solides. Une gamme intéressante de propriétés mécaniques a été obtenue. Les performances des NSS en matière d'hydratation et de lubrification de ces structures imprimées en 3D ont également été explorées in vitro.Cette étude démontre i) la pertinence de ces ou-tils précliniques, y compris les expériences in vitro simulant différents aspects de la transformation orale des aliments, pour faciliter le développement de produits alimentaires personnalisés et aliments destinés à des fins médicales spéciales ii) le fort potentiel des extraits de graines de lin comme SSN ou agent texturant, grâce à leurs propriétés rhéologiques et pouvoir lubrifiant et iii) l'intérêt de contrôler la structure des aliments par impression 3D, pour moduler leurs propriétés mécaniques et leur hydratation
Stabilisation et contrôle des systèmes dynamiques : des méthodes classiques à l’apprentissage par renforcement
No full textThis thesis explores the application of reinforcement learning (RL) and control theory in several evolution systems such as traffic stabilization, pest control, and fluid dynamics. It begins with a theoretical investigation into the stability of the Saint-Venant system with an added viscosity term, building a quadratic Lyapunov function to demonstrate the exponential stability of the viscous linearized system under appropriate boundary control. The optimal Lyapunov function in the non-viscous case does not extend to the system with viscosity, fueling the need to build a new one. This adds to the understanding of real-world flow behavior, where viscosity is ubiquitous.The thesis then transitions to applied research in RL, focusing on biological pest control using the Sterile Insect Technique. Here, RL is used to train a neural network to stabilize mosquito populations by determining the optimal release rate of sterile insects. A mathematical analysis follows, resulting in a simplified, explicit control law derived from the RL-trained model, making for an innovative approach to derive mathematical controls for complex problems with limited observations using neural network based methods.At last, a significant portion of this dissertation investigates the potential of RL in traffic stabilization, particularly in reducing fuel consumption and CO2 emission on highways by dampening stop-and-go waves. In collaboration with the CIRCLES consortium, this work develops RL controllers for autonomous vehicles (AVs) to stabilize traffic flow, leading to substantial improvements in fuel efficiency, energy emissions, and safety. The thesis demonstrates that even a small proportion of RL-controlled AVs can smooth out traffic disturbances. Controllers are designed and trained in simulation using RL algorithms, then validated in large-scale simulations and real-world deployments in the MegaVanderTest experiment, a massive 100 AVs field test in live busy highway traffic. This large-scale deployment is the first of its kind, successfully applying RL to real-world traffic conditions and offering promising results in energy savings and traffic flow improvement.Overall, this work highlights the versatility of RL in solving complex real-world problems, from traffic optimization to biological control, pushing the boundaries of both theoretical and applied control methodologies.Cette thèse explore l'application de l'apprentissage par renforcement (RL) et de la théorie du contrôle dans plusieurs systèmes évolutifs tels que la stabilisation du trafic, la lutte antiparasitaire et la dynamique des fluides. Elle commence par une investigation théorique sur la stabilité du système de Saint-Venant avec un terme de viscosité ajouté, construisant une fonction de Lyapunov quadratique pour démontrer la stabilité exponentielle du système linéarisé visqueux sous un contrôle aux frontières approprié. La fonction de Lyapunov optimale dans le cas non visqueux ne s'étend pas au système avec viscosité, d'où la nécessité d'en construire une nouvelle. Cela contribue à la compréhension du comportement des flux réels, où la viscosité est omniprésente. La thèse passe ensuite à la recherche appliquée en RL, en se concentrant sur la lutte biologique contre les nuisibles en utilisant la Technique de l'Insectes Stérile. Ici, le RL est utilisé pour entraîner un réseau de neurones à stabiliser les populations de moustiques en déterminant le taux de lâcher optimal d'insectes stériles. Une analyse mathématique s'ensuit, aboutissant à une loi de contrôle simplifiée et explicite dérivée du modèle entraîné par RL, constituant une approche innovante pour dériver des contrôles mathématiques pour des problèmes complexes avec des observations limitées en utilisant des méthodes basées sur les réseaux neuronaux. Enfin, une partie significative de cette dissertation étudie le potentiel du RL dans la stabilisation du trafic, en particulier dans la réduction de la consommation de carburant et des émissions de CO2 sur les autoroutes en atténuant les ondes d'arrêt-démarrage. En collaboration avec le consortium CIRCLES, ce travail développe des contrôleurs RL pour les véhicules autonomes (AV) afin de stabiliser le flux de trafic, menant à des améliorations substantielles en matière d'efficacité énergétique, d'émissions et de sécurité. La thèse démontre que même une petite proportion d'AV contrôlés par RL peut lisser les perturbations du trafic. Les contrôleurs sont conçus et entraînés en simulation en utilisant des algorithmes RL, puis validés dans des simulations à grande échelle et des déploiements réels lors de l'expérience MegaVanderTest, un test sur le terrain massif de 100 AV dans un trafic autoroutier dense en conditions réelles. Ce déploiement à grande échelle est le premier du genre, appliquant avec succès le RL aux conditions réelles du trafic et offrant des résultats prometteurs en matière d'économies d'énergie et d'amélioration du flux de trafic. Dans l'ensemble, ce travail met en évidence la polyvalence du RL dans la résolution de problèmes complexes du monde réel, de l'optimisation du trafic à la lutte biologique, repoussant les limites des méthodologies de contrôle théoriques et appliquées
Évaluation du potentiel de liquéfaction dans les sols quasi-saturés
No full textIt is well established in geotechnical literature that the presence of a relatively small gas phase in nearly saturated soils can significantly improve their resistance to liquefaction. Meanwhile, the presence of such a gas phase has regularly been attested in soils containing organic matter and in sediments near the water table. Therefore, accounting for the presence of these small amounts of gas could substantially optimise the design of liquefaction mitigation structures. However, as things stand, two main difficulties remain from an engineering perspective. The first obstacle is the common absence of any reliable in-situ data on the saturation state of soils. To address this, we have looked into the feasibility of using P and S wave measurements from cross-hole tests to estimate the degree of water saturation. Through an experimental investigation on Fontainebleau sand, we show this approach would likely be highly unreliable due to poor resolution and scattering of compression waves in gassy soils. Nevertheless, the silver lining to this disappointing conclusion is that this very same scattering effect could potentially serve as an alternative marker for the distribution of water in soils. The second issue is the absence of any standard engineering tool for modelling gassy soils. In this light, the initial approach was to implement a fluid compressibility law in FLAC3D and combine it with established constitutive models of the Sanisand family (Dafalias et Manzari, 2004; Cheng et Detournay, 2021). Theoretical considerations showed it was impossible to model both gassy and saturated soils with a single set of parameters unless great care was given to the hydromechanical coupling. Therefore, a first piece of work consists in choosing appropriate constitutive parameters to achieve this. Then, simulating cyclic triaxial tests on gassy Hostun sand, we illustrate the considerable difficulty of fitting the constitutive parameters required for modelling cyclic behaviour, even when laboratory tests are available. Altogether, the results of this study show this approach would likely be unreliable for engineering purposes. For this reason, a more empirical method is tested. Inspired of the works of Martin et al. (1975) and Byrne (1991), il allows for a cycle by cycle estimation of excess pore pressure generation. Associated with a fluid compressibility model, this method is shown to have the potential for modelling the cyclic behaviour of gassy soils by reproducing a number of cyclic laboratory tests preformed on gassy soils.Il est clairement établi dans la littérature que la présence d'une petite quantité de gaz dans les sols presque saturés peut significativement améliorer leur résistance à la liquéfaction. En parallèle, la présence d'une telle phase gazeuse est régulièrement attestée à proximité de la nappe et dans les sols contenant de la matière organique. Par conséquent, la prise en compte de l'existence potentielle de ce gaz pourrait permettre d'optimiser le dimensionnement des ouvrages au séisme. Toutefois, il reste deux obstacles significatifs du point de vue de l'ingénierie. Le premier est l'absence régulière de données in-situ fiables concernant le degré de saturation des sols. En ce sens, une première partie de la thèse étudie la possibilité d'estimer ce paramètre à partir de données géophysiques obtenus lors d'essais cross-hole. A travers une étude expérimentale, nous montrons que ce type d'approche serait peu fiable à cause de la faible précision des mesures et de phénomènes de dispersion des ondes P dans les milieux poreux quasi-saturés. Toutefois, il est intéressant de remarquer que ce même phénomène de dispersion pourrait aussi devenir un moyen de caractériser la distribution du fluide interstitiel. Le second obstacle à la prise en compte de l'état de saturation dans le dimensionnement des ouvrages au séisme concerne l'absence d'outil numérique adapté à l'ingénierie capable de modéliser le comportement cyclique de ce type de sol. Pour cela, une première approche a été d'implémenter une loi de compressibilité du fluide dans FLAC3D pour la combiner avec des lois de comportement de la famille Sanisand (Dafalias et Manzari, 2004; Cheng et Detournay, 2021). Des réflexions théoriques ont d'abord montré qu'il est impossible de modéliser les sols saturés et quasi-saturés avec un unique jeu de paramètres sans une prise en compte très fine du couplage hydromécanique. Ainsi, un premier travail concerne le choix de paramètres permettant une représentation correcte de ce couplage. Ensuite, la simulation d'essais triaxiaux cycliques sur le sable d'Hostun avec cette méthode permet d'illustrer la difficulté du travail de calage de ces lois de comportement, même lorsque des données de qualité sont disponibles. Au final, les résultats de cette étude montrent que cette approche serait probablement peu fiable pour des applications d'ingénierie. Par conséquent, une deuxième option, plus empirique, est explorée. Basée sur les travaux de Martin et al. (1975) et Byrne (1991), elle permet d'estimer cycle par cycle la montées de pression interstitielle causées par des sollicitations cycliques. Associée à une loi de compressibilité du fluide, le potentiel de cette méthode est démontré sur la base d'essais cycliques réalisés sur des sables quasi-saturés
Evapotranspiration issue de solutions fondées sur la nature pour la gestion à la source des eaux pluviales urbaines : analyse à partir d’observations et de modélisations hydrologiques
No full textEvapotranspiration (ET) is an important process in the implementation of urban renaturalization policies through Nature-Based Solutions (NbS), particularly for mitigating urban run-off, promoting local cooling, and ensuring the good health of plants. However, the estimation and modelling of this process within these solutions remain complex and pose significant challenges. The thesis aims to improve the understanding, estimation, and modelling of ET within NbS dedicated to sustainable urban stormwater management, focusing specifically on two representative types: rain gardens and green roofs. The selected case studies include various NbS configurations, including substrate type, vegetation type, presence or absence of vegetation, and drainage conditions at the base of the solutions. The available data also integrate a detailed description of the site, the implemented solution, as well as measurements related to the water balance, energy balance, and meteorological data.The research was structured around two axes. Firstly, ET was estimated from observations of experimental setups replicating the functioning of NbS. For rain gardens, daily ET was estimated for each of the eight lysimeters through the water balance method (90% of ET values ranging from 5.4 mm/day to 6.5 mm/day), with an assessment of associated uncertainties using the method of propagation, ranging from ±0.42 to ±0.58 mm/day. For the studied five green roof plots, ET are obtained through the water balance (ET values ranging from 0.8 mm/day to 3 mm/day), the chamber (ET values ranging from 1 mm/day to 1.5 mm/day) and the energy balance (ET values ranging from 1.8 mm/day to 3.7 mm/day) methods were compared and analysed. The internal water storage, local atmospheric conditions, presence of vegetation and substrate depth were found to be the main factors influencing the ET flux in the different NBS configurations tested.Secondly, the study focused on the modelling of ET from the tested NBS plots using the Hydrus 1D hydrological model. A global sensitivity analysis employing the Sobol method identified the substrate hydrodynamic parameters as the most influential factors contributing to the variability of simulated ET, particularly those related to water retention characteristics (α and n). Parameters such as soil cover, vegetation height and stomatal resistance were considered to have a secondary role. During the model calibration process, the drainage discharge variable was found suitable for long-term simulation of ET for seasonal and annual analyses, while substrate moisture content and observed ET were more appropriate for calibration during dry periods. Long-term simulations (6 years for green roofs and 2 years for rain gardens) revealed that green roof plots with sedum and/or grasses associated with a 15 cm substrate showed an average inter-annual ET exceeding 50% of precipitation, while configurations with bare substrate or sedum with a 3 cm substrate exhibited an ET equivalent to 30-40% of precipitation. For rain gardens with an 80 cm thick substrate and herbaceous vegetation without internal water storage, a similar performance was observed, with ET representing 30 to 40% of annual precipitation inputs.L'évapotranspiration (ET) est un processus important dans la mise en œuvre des politiques de renaturation des villes via les Solutions Fondées sur la Nature (SfN), en particulier pour atténuer le ruissellement urbain, favoriser le rafraîchissement local et assurer la bonne santé des végétaux. Néanmoins, l'estimation et la modélisation du processus au sein de ces solutions demeurent complexes et posent des défis significatifs. La thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension, l'estimation et la modélisation de l'ET au sein des SfN dédiées à la gestion à la source des eaux pluviales urbaines, en se concentrant spécifiquement sur deux types représentatifs de SfN : les jardins de pluie et les toitures végétalisées. Les cas d’étude sélectionnés comprennent diverses configurations de SfN, en termes de type de substrat, de type de végétation, de présence ou absence de végétation, ainsi que de conditions de drainage. Les données disponibles intègrent également une description détaillée du site, de la solution mise en place, ainsi que des mesures relatives au bilan hydrologique, au bilan d’énergie et aux données météorologiques. La recherche s'est articulée autour de deux axes principaux. Dans un premier temps, l'ET a été estimée à partir des observations des dispositifs expérimentaux. Pour les jardins de pluie, l'ET journalière a été estimée pour chacun des huit lysimètres par le biais du bilan hydrologique (neuvième décile de l’ET journalière de 5,4 mm/j à 6,5 mm/j selon le lysimètre), avec une évaluation des incertitudes associées par la méthode de propagation allant de ±0,42 à ±0,58 mm/j. Pour les cinq configurations de toitures végétalisées étudiées, les estimations d’ET obtenues par les méthodes du bilan hydrologique (neuvième décile de l’ET journalière entre 0,8 mm/j et 3 mm/j), de la chambre (neuvième décile de l’ET journalière entre 1 mm/j à 1,5 mm/j selon le lysimètre) et du bilan d'énergie (neuvième décile de l’ET journalière entre 1,8 mm/j à 3,7 mm/j selon le lysimètre) ont été comparées et analysées. La réserve en eau interne, l’épaisseur du substrat, les conditions atmosphériques locales et la présence de végétation se sont révélés comme les principaux facteurs influençant le flux d'ET dans les différentes configurations de SfN testées. Dans un second temps, la thèse s'est penchée sur la modélisation de l'ET issue des configurations de SfN testées avec le modèle hydrologique Hydrus 1D. Une analyse de sensibilité globale de Sobol a permis d'identifier les paramètres hydrodynamiques du substrat comme étant les plus influents sur la variabilité des ETs simulées, en particulier ceux liés à la rétention d'eau (α et n). Des paramètres tels que le taux de couverture du sol, la hauteur de la végétation et la résistance stomatique présentent un rôle secondaire. Lors du processus de calage du modèle, la variable débit de drainage s’est avérée adaptée pour simuler à long terme l'ET dans une perspective d'analyses saisonnières et annuelle, tandis que la teneur en eau du substrat et l'ET observée sont plus appropriées pour le calage durant des périodes sèches. Les simulations à long terme (6 années pour les toitures et 2 ans pour les jardins de pluie) indiquent pour les configurations de toitures avec 15 cm de substrat, planté de sédums et/ou des graminées, une ET moyenne interannuelle dépassant 50 % des précipitations, tandis que pour les configurations de toitures avec 3 cm de substrat nu ou planté de sédums, l’ET représente 30-44 % des précipitations. Pour la configuration de jardins de pluie modélisée (impluvium égal à 4 fois la surface du jardin, un substrat argilo-limoneux de 80 cm d’épaisseur, une végétation herbacée, système drainé étanche sans stockage interne d'eau), une performance similaire a été observée avec une ET représentant 35 % des apports annuels de précipitations