Asymétrie de rigidités de flexion pour la programmation de formes

In this thesis, we investigate how asymmetries in bending stiffness influence the behavior of slender structures under tension. Our main motivation is the study of thin-sheet inflatables made from the soldering of stiff textile sheets for shape-morphing and soft robotics applications. We begin with a brief overview of the state-of-the-art and introduce some experimental and modeling tools.The first part of the manuscrit show that arrays of tubes made from two sheets differing in stiffness exhibit very large curvature upon pressurization. We rationalize these results by modeling the cross-section of a single tube as two coupled bending rods under uniform loading. Our experimental validation of these predictions helps us understand the pressure-dependent geometry of inextensible tubes. Our models reveal a boundary layer at the junction of the thin sheets which determines the curvature of inflatable at high pressures. We also address geometric complexities which arise when the assumptions of slender elasticity are broken and when neighboring tubes come into contact. We then measure the effective bending stiffness of arrays of tubes as they inflate, revealing its nonlinear relationship with pressure.Having characterized the mechanics of stiffness-asymmetric array of tubes, we demonstrate their potential for shape programming. By controlling both tube widths and stiffness asymmetry, we precisely program the curvature of slender, rod-like inflatables. We present several examples of inflatables which adopt complex geometries during pressurization, with examples ranging from origami and kirigami to soft robotic grippers and activated inert structures. We then extend our cross-sectional design to inflatables made of three sheets.In a brief interlude, we present a practical application of thin-sheet inflatables in the context of a design exhibition, which led us to preliminary investigations into the destabilization of geometrically frustrated tubular inflatables.The second part of the manuscrit focuses on minimal objects made of two asymmetric ribbons bound at one end and pulled apart at the other ends. This simplified system clearly exhibits the boundary layer theoretically predicted in thin-sheet inflatables, and is optimal to study it. We characteristic the elastic junction near the bonding as two coupled solutions of Euler’s elastica. While the size of the high curvature area near the junction decreases with the pulling force, we observe the surprising existence of the binding angle as a macroscopic signature of the bending stiffness. Our results thus challenge the standard assumption of neglecting bending stiffness of thin sheets at large tensile loading. In addition, we investigate the rotational response of the structure. Leveraging the independence of the binding angle to the pulling force, we introduce the lambda-test — a visual measurement technique to characterize membranes through simple mechanical coupling. We finally introduce a variation of this system by coupling two ribbons of varying widths along their length. This modification eliminates the self-similarity of the junction layer, making the binding angle dependent on pulling force. We validate the tapered elastica as a model for these ribbons and explore strategies to solve the inverse problem.Dans cette thèse, nous montrons comment les asymétries de rigidité en flexion influencent le comportement des structures élancées sous tension. Notre motivation première est l'étude des structures gonflables à feuilles minces fabriquées à partir de la soudure de feuilles textiles rigides pour des applications de programmation de forme et de robotique molle. Nous commençons par un bref aperçu de l'état de l'art et présentons quelques outils expérimentaux et de modélisation.La première partie du manuscrit démontre que les réseaux de tubes fabriqués à partir de deux feuilles de rigidité différente présentent une courbure très importante lorsque pressurisés. Nous rationalisons ces résultats en modélisant la section d'un tube comme deux tiges de flexion couplées sous chargement uniforme, et validons expérimentalement nos résultats. Nos modèles révèlent l'existence d'une couche limite à la jonction des membranes qui gouverne la courbure du tube gonflable à haute pression. Nous nous penchons également sur les complexités géométriques qui apparaissent lorsque l’hypothèse d’élancement des tubes minces est violée et lorsque des tubes voisins entrent en contact. Nous mesurons ensuite la rigidité de flexion effective d’un réseau de tubes pressurisé, révélant sa relation non-linéaire avec la pression.Après avoir caractérisé la mécanique des réseaux de tubes asymétriques, nous démontrons leur potentiel en matière de programmation de la forme. En contrôlant à la fois la largeur des tubes et l'asymétrie de rigidité, nous programmons avec précision la courbure de structures gonflables élancées, semblables à des rubans. Nous présentons plusieurs exemples de structures gonflables qui adoptent des géométries complexes pendant la pressurisation, avec des exemples allant de l'origami et du kirigami à des pinces robotiques et à des structures inertes activées. Nous étendons ensuite notre conception à des configurations de tubes plus complexes, en particulier à des structures gonflables multicouches.Dans un bref interlude, nous présentons une application pratique des structures gonflables à feuilles minces dans le contexte d'une exposition de design, qui nous a conduits à des recherches préliminaires sur la déstabilisation des structures gonflables tubulaires géométriquement frustrées.La deuxième partie du manuscrit se concentre sur des systèmes minimaux constitués de deux rubans asymétriques liés à une extrémité et mis en tension à l'autre. Ce système simplifié présente la même couche limite prédite théoriquement dans les structures gonflables à feuilles minces, et est optimal pour l'étudier. Nous caractérisons la jonction élastique près de la liaison comme deux solutions couplées de l’elastica d'Euler. Alors que la taille de la zone à forte courbure près de la jonction diminue avec la force de traction, nous observons l'existence surprenante de l'angle de liaison en tant que signature macroscopique de la rigidité de flexion. Nos résultats remettent donc en question l'hypothèse standarde qui consiste à négliger la rigidité de flexion des structures élancées en cas de charge de tension importante. En outre, nous étudions la réponse en rotation de la structure. En tirant parti de l'indépendance de l'angle de liaison par rapport à la force de traction, nous introduisons le lambda-test - une technique de mesure visuelle pour caractériser les membranes par le biais d'un simple couplage mécanique.Enfin, nous introduisons une variante de ce système en couplant deux rubans de largeurs variable selon leur longueur. Cela élimine l'auto-similarité de la couche limite, rendant l'angle de liaison dépendant de la force de traction. Nous validons un modèle pour ces rubans et explorons des stratégies pour résoudre le problème inverse : trouver la forme optimale des rubans pour une fonction objective donnée entre l'angle de liaison et la force de traction

Oscillateurs critiques non linéaires à la bifurcation de Hopf comme modèle cochléaire

The cochlea, the organ responsible for the sense of hearing, is an exceptional acoustic sensor, capable of detecting sound amplitudes spanning over 12 orders of magnitude and covering three decades in frequency. Despite its remarkable sensitivity and selectivity, it is inherently a nonlinear and non-faithful detector, exhibiting distortion effects. These features suggest that the cochlea operates as an active, living system, relying on nonlinear dynamics to enhance signal processing. An analytical model has proposed that such behavior could arise from the presence of nonlinear critical oscillators operating near a Hopf bifurcation. This thesis puts this hypothesis to the test through the construction and experimental study of physical models that emulate essential nonlinear phenomena observed in the cochlear system. It aims to assess the relevance of the critical oscillator framework and contribute to a deeper understanding of the auditory mechanisms involved in perception. The work is structured into several chapters.In Chapter 1, a detailed study of the hearing process is introduced to lay the groundwork for the experimental work that follows. The chapter identifies the key characteristics of auditory processing, setting the stage for replicating these processes experimentally.Chapter 2 focuses on the fabrication and analysis of a single delayed resonator operating near a Hopf bifurcation. This resonator, using a feedback loop involving a microcontroller, a microphone, and a speaker, mimics the response of a bullfrog hair cell. The system successfully reproduces the sensitivity curve characteristic of the cochlear amplifier at low amplitudes. In addition, it demonstrates tunability and the capacity to produce nonlinear hearing effects, such as the masking effect and phantom tones.From one to many, Chapter 3 explores the nonlinear coupling of two resonators. A digital coupling method is experimentally studied to investigate nonlinear dynamics between resonators. By varying the coupling strength, the study analyzes its effect on both synchronization and system gain, establishing a framework for more complex models that can be used in future studies of auditory systems.In Chapter 4, the study is extended to an artificial cochlea comprising 38 Helmholtz resonators. Five resonators are successfully activated and coupled nonlinearly. The system’s behavior is examined, ranging from the response of individual resonators to interactions between coupled units. The chapter culminates in the analysis of synchronization and divergence phenomena among the five active resonators. Careful calibration and a sequential activation process are essential for ensuring resonance stability. Once these conditions are met, the nonlinear phenomena and active cochlear characteristics are tested, supporting the theory that the cochlea functions as a network of active nonlinear oscillators.La cochlée, organe responsable du sens de l’ouïe, est un capteur acoustique exceptionnel, capable de détecter des amplitudes sonores sur plus de 12 ordres de grandeur et couvrant trois décades en fréquence. Malgré sa sensibilité et sa sélectivité remarquables, elle constitue un détecteur intrinsèquement non linéaire et non fidèle, présentant des effets de distorsion. Ces caractéristiques suggèrent que la cochlée fonctionne comme un système actif et vivant, s’appuyant sur des dynamiques non linéaires pour améliorer le traitement du signal. Un modèle analytique a proposé que ce comportement pourrait résulter de la présence d’oscillateurs critiques non linéaires opérant à proximité d’une bifurcation de Hopf. Cette thèse met cette hypothèse à l’épreuve à travers la construction et l’étude expérimentale de modèles physiques reproduisant des phénomènes non linéaires essentiels observés dans le système cochléaire. Elle vise à évaluer la pertinence du cadre des oscillateurs critiques et à contribuer à une compréhension plus approfondie des mécanismes auditifs impliqués dans la perception. Le travail est structuré en plusieurs chapitres.Le Chapitre 1 présente une étude détaillée du processus auditif afin d’introduire les fondements nécessaires aux travaux expérimentaux qui suivent. Il identifie les principales caractéristiques du traitement auditif, ouvrant ainsi la voie à leur reproduction expérimentale.Le Chapitre 2 se concentre sur la fabrication et l’analyse d’un résonateur unique avec délai, opérant à proximité d’une bifurcation de Hopf. Ce résonateur, utilisant une boucle de rétroaction impliquant un microcontrôleur, un microphone et un haut-parleur, imite la réponse d’une cellule ciliée de grenouille taureau. Le système reproduit avec succès la courbe de sensibilité caractéristique de l’amplificateur cochléaire à faibles amplitudes. Il démontre également sa capacité à être accordé et à générer des effets auditifs non linéaires, tels que l’effet de masquage et les tons fantômes.Passant d’un à plusieurs résonateurs, le Chapitre 3 explore le couplage non linéaire de deux résonateurs. Une méthode de couplage numérique est étudiée expérimentalement pour analyser la dynamique non linéaire entre résonateurs. En faisant varier la force de couplage, l’étude analyse ses effets sur la synchronisation et le gain du système, posant ainsi les bases pour des modèles plus complexes destinés à l’étude future des systèmes auditifs.Le Chapitre 4 étend l’étude à une cochlée artificielle composée de 38 résonateurs de Helmholtz. Cinq résonateurs sont activés avec succès et couplés de manière non linéaire. Le comportement du système est analysé, allant de la réponse des résonateurs individuels aux interactions entre unités couplées. Le chapitre aboutit à une analyse des phénomènes de synchronisation et de divergence entre les cinq résonateurs actifs. Une calibration rigoureuse et une activation séquentielle sont essentielles pour assurer la stabilité des résonances. Une fois ces conditions remplies, les phénomènes non linéaires et les caractéristiques actives de la cochlée sont testés, soutenant l’hypothèse selon laquelle la cochlée fonctionne comme un réseau d’oscillateurs non linéaires actifs

Des éthers de cellulose aux bio-aérogels : Vers des vecteurs de médicaments sans additifs

This thesis explores the potential of neat cellulose ethers, particularly carboxymethyl cellulose (CMC) and methylcellulose (MC), for making aerogels aimed at drug delivery applications and complex shape manufacturing via 3D printing. Despite the widespread use of cellulose ethers in medicine and industry, neat CMC or MC aerogels remain scarcely explored. Lightweight aerogels with high specific surface area (up to several hundred m²/g) were prepared through non-solvent induced phase separation followed by supercritical CO₂ drying. Alternative drying routes, such as freeze-drying and evaporative drying, were also used to produce cryogels and xerogels for comparative analysis. The structure and morphology of the materials were thoroughly characterized, and drug release behavior was assessed using a model drug (L-Ascorbic acid 2-phosphate) in simulated wound exudate. The results demonstrate that both CMC and MC aerogels are promising candidates for drug delivery. Mechanical properties of CMC aerogels and cryogels were evaluated via uniaxial compression tests combined with digital image correlation. Direct ink writing was successfully applied to neat CMC solutions without any additives or crosslinking, only by adjusting solutions' rheological properties. Aerogels were then made from the printed structures through drying with supercritical CO2. These findings provide an important basis for the design and manufacturing of customized biopolymer porous scaffolds for drug delivery, tissue engineering, and other related applications.Cette thèse explore le potentiel des éthers de cellulose purs, en particulier la carboxyméthylcellulose (CMC) et la méthylcellulose (MC), pour la fabrication d'aérogels destinés à des applications en administration de médicaments ainsi qu'à la production de formes complexes via l'impression 3D. Bien que les éthers de cellulose soient largement utilisés dans les domaines médical et industriel, les aérogels obtenus à partir de CMC ou de MC non modifiés restent très peu étudiés. Des aérogels légers, présentant une surface spécifique élevée (jusqu'à plusieurs centaines de m²/g), ont été préparés par séparation de phase induite par non-solvant, suivie d'un séchage au CO₂ supercritique. D'autres procédés de séchage, tels que la lyophilisation et le séchage évaporatif, ont également été utilisés pour produire respectivement des cryogels et des xérogels, dans un but comparatif. La structure et la morphologie des matériaux ont été caractérisées de manière approfondie, et le comportement de libération du médicament a été évalué à l'aide d'un médicament modèle (acide L-ascorbique 2-phosphate) dans un exsudat simulé de plaie. Les résultats montrent que les aérogels de CMC et de MC constituent des candidats prometteurs pour l'administration de médicaments. Les propriétés mécaniques des aérogels et des cryogels de CMC ont été mesurées par des essais de compression uniaxiale couplés à une analyse par corrélation d'images numériques. L'impression directe à l'encre a été appliquée avec succès, pour la première fois, à des solutions aqueuses de CMC sans aucun additif ni agent de réticulation, uniquement en ajustant leurs propriétés rhéologiques. Des aérogels ont ensuite été obtenus à partir des structures imprimées, par séchage au CO₂ supercritique. Ces résultats fournissent une base importante pour la conception et la fabrication de structures poreuses personnalisées à base de biopolymères, destinées à des applications en administration de médicaments, en ingénierie tissulaire et dans d'autres domaines biomédicaux connexes

Données textuelles pour la modélisation avancée des dynamiques de la demande et des prix d'électricité

Despite the increasing maturity of current power systems and markets, they still face numerous uncertain risks, such as sudden changes in electricity demand due to special events. In this context, leveraging machine learning and natural lan-guage processing (NLP) technologies for integrated modelling to address uncertainties in power systems holds significant promise.This thesis revisits traditional power forecasting models, exploring the potential of using information embedded in social texts and investigates multimodal forecasting methods to enhance the robustness and decision-making intelligence of power systems. It designs a novel power forecasting framework that enables the acquisition, modelling, and interpretation of social text knowledge to improve power forecasting.To extract knowledge from vast amounts of text, various text embedding, feature extraction, and feature selection tech-niques have been developed. For modelling this knowledge, the thesis enhances machine learning methods by consider-ing both deterministic and probabilistic forecasting. To explain the impact of this knowledge on power systems, different approaches based on correlation and causality are designed, providing a comprehensive picture of the power-social-economic relationship.The proposed methods have been validated through experiments across different countries, languages, levels, and ob-jectives. In summary, the research findings of this thesis contribute to strengthening the capability of power systems to cope with uncertainties and promote the intelligent development of power systems.Malgré la maturité croissante des systèmes électriques et des marchés actuels, ils sont toujours confrontés à de nombreux risques incertains, tels que des changements soudains de la demande d’électricité en raison d’évènements spéciaux. Dans ce contexte, l’utilisation des technologies de l’apprentissage automatique et du traitement du langage naturel (NLP) pour une modélisation intégrée afin de répondre aux incertitudes des systèmes électriques présente un potentiel significatif.Cette thèse revisite les modèles de prévision de l’électricité traditionnels, en explorant le potentiel d’utilisation des informations intégrées dans les textes sociaux et en investiguant des méthodes de prévision multimodales pour améliorer la robustesse et l’intelligence décisionnelle des systèmes électriques. Elle conçoit un nouveau cadre de prévision d'électricité qui permet l’acquisition, la modélisation et l’interprétation des connaissances issues des textes sociaux afin d'améliorer les prévisions de l’électricité.Pour extraire des connaissances de vastes quantités de textes, diverses techniques d’intégration de texte, d’extraction de caractéristiques et de sélection de caractéristiques ont été développées. Pour modéliser ces connaissances, la thèse améliore les méthodes d’apprentissage automatique en prenant en compte les prévisions déterministes et probabilistes. Pour expliquer l’impact de ces connaissances sur les systèmes électriques, différentes approches basées sur la corrélation et la causalité sont conçues, fournissant une image complète de la relation entre le système électrique, la société et l’économie.Les méthodes proposées ont été validées a` travers des expériences menées dans différents pays, langues, niveaux et objectifs. En résumé, les résultats de recherche de cette thèse contribuent à renforcer la capacité des systèmes électriques à faire face aux incertitudes et a` promouvoir le développement intelligent des systèmes électriques

Amélioration de la prédiction des limites de ductilité des matériaux polycristallins en utilisant des schémas multi-échelles pertinents

The main objective of this PhD thesis is to improve the capabilities of the developed numerical methods and tools in the prediction of the ductility limits of polycrystalline metal sheets using the Crystal Plasticity Finite Element Method (CPFEM). This method uses a polycrystalline Representative Volume Element (RVE) to accurately capture the mechanical characteristics of metal sheets. The periodic homogenization multiscale scheme is adopted to ensure the transition between the RVE and single crystal scales. At the single crystal scale, the constitutive framework follows a finite strain rate-independent formulation, with the plastic flow governed by the Schmid law. To improve the predictive capabilities of the developed computational approach, the effects of kinematic hardening, dislocation density-based hardening, grain size, and damage within the framework of Continuum Damage Mechanics (CDM) are incorporated into the single crystal constitutive modeling. Furthermore, the effects of microstructural parameters (e.g., morphological and crystallographic textures) are investigated. At the macroscopic scale, the ductility limits are predicted under the plane-stress assumption using the Rice bifurcation theory. The findings of this thesis demonstrate that these advanced multiscale approaches provide a robust and reliable tool for accurately predicting the ductility limits of polycrystalline metal sheets.L’objectif principal de cette thèse de doctorat est d’améliorer les capacités des méthodes et outils numériques développés dans la prédiction des limites de ductilité des tôles métalliques polycristallines à l’aide de la méthode des éléments finis en plasticité cristalline (CPFEM). Cette méthode utilise un Volume Elémentaire Représentatif (VER) polycristallin pour capter avec précision les caractéristiques mécaniques des tôles étudiées. La technique d’homogénéisation périodique est adoptée pour assurer la transition entre l’échelle du VER et celle du monocristal. À l’échelle du monocristal, le comportement mécanique suit une formulation élastoplastique en grandes déformations, avec un écoulement plastique régi par la loi de Schmid. Pour améliorer les capacités prédictives de l’approche numérique développée, les effets de l’écrouissage cinématique, l’écrouissage isotrope basé sur la densité des dislocations, la taille de grains et l’endommagement microscopique sont intégrés dans le modèle constitutif du monocristal. De plus, les effets des paramètres microstructuraux (e.g., textures morphologiques et cristallographiques) sont étudiés. À l’échelle macroscopique, les limites de ductilité sont prédites sous l’hypothèse de contraintes planes en utilisant le critère de bifurcation de Rice. Les résultats de cette thèse démontrent que ces approches multi-échelles avancées fournissent un outil robuste et fiable pour prédire avec précision les limites de ductilité des tôles métalliques polycristallines

Compensation active des erreurs géométriques d'une machine-outil 5-axes via la modification des retours de position

High-accuracy machining requires error compensation. Among various sources of error, such as thermal effects, cutting forces, tool wear and errors induced by actuators or sensors, kinematic errors due to geometric inaccuracies have a significant impact on the final accuracy of the machined part. Furthermore, the addition of rotary axes to linear axes in 5-axis CNC machines increases the complexity of performing accurate tool positioning. Both mechanical and software-based compensation techniques have been tested in the past. However, software-based methods often require specific post-processors, modifications to the NC code, or changes to the internal functions of the NC system. After establishing a geometric model of the structural loop based on fully rigid multibody assumption and performing an identification process by using in situ measurement, the thesis project aims to develop a real-time compensation methodology. The main objective is to enhance the accuracy of the machine tool across its entire workspace. This real-time solution is implemented within the position control feedback loop of each axis, where encoder signals, whether from rotary or linear encoders, are compensated before being sent to the controller. These compensation signals are generated based on the real-time position measurements of all axes and the previously identified geometric model. The embedded controlling system has to fit perfectly into the control command chain to avoid any interruption of the machining process.L’usinage de haute-exactitude nécessite généralement de compenser des erreurs résiduelles. Parmi les différentes sources d’erreurs telles que les effets thermiques, les efforts de coupe, l’usure de l’outil, ou les erreurs induites par les actionneurs ou les capteurs, ce sont les erreurs géométriques dues aux imprécisions de la structure qui ont le plus d’impact sur la précision finale des pièces usinées. De plus, la présence d’axe rotatifs et d’axes linéaires complexifie la précision de positionnement de l’outil. Des techniques de compensation mécaniques et logicielles ont été testées dans le passé. Cependant, les méthodes logicielles répertoriées dans la littérature nécessitent souvent un post-processeur spécifique, une CN ouverte, une modification du programme d’usinage ou des fonctions CN dédiées. Après établissement de modèles géométriques de la structure via une hypothèse des solides rigides, ainsi qu’un processus d’identification des erreurs à partir de mesures in situ, cette thèse vise à développer une méthodologie de compensation en temps-réel. L’objectif principal est d’améliorer la précision de la machine-outil dans l’ensemble de son espace de travail, en étant le plus indépendant possible de la CN et de la pièce à usiner. Cette solution de calcul en temps-réel est intégrée dans la boucle de rétroaction des asservissements en position de chaque axe, où les signaux des codeurs (qu’ils soient angulaires ou linéaires) sont compensés avant d’être envoyés à la CN. Ces signaux corrigés sont générés à partir de la mesure de position réelle des 5 axes et d’une modélisation de l’erreur volumétrique réalisée grâce à l’identification des erreurs faite au préalable. Le système de compensation doit notamment s’intégrer parfaitement dans la boucle de contrôle afin d’éviter toute interruption du processus d’usinage

Imagerie ultrasonore 3D par rayonnement de plaque mince appliquée à l'interaction homme-machine sans contact

The wide range of digital technology applications and the diverse contexts in which they are used drive the development of integrated multimodal interaction devices, enabling both tactile and contactless interactions with screens. This thesis contributes to this field through the development of a sensor for contactless gestural interaction based on the acoustic radiation of thin plates such as display screens. This radiation, controlled by a limited number of piezoelectric transducers coupled to the plate, is reflected by objects in the volume above and captured by microphones set in the plane of the plate. Using a 3D imaging technique based on unfocused ultrasound emission combined with tensor decomposition using HOSVD, this work achieved real-time imaging (33 Hz) of the volume (160 x 110 x 80 mm3) above the plate, with a spatial resolution of 1 mm. These advancements enabled first applications of detection and tracking of finger movements in air. Additionally, the hand movements generate a Doppler shift, which was utilized to identify 11 distinct 3D gestures performed by 19 participants. A low-complexity recurrent neural network was used to detect and classify these contactless gestures with no noticeable latency. In addition to contactless interaction, the methods developed in this thesis for fast imaging with a small number of transducers and Doppler pattern recognition open up new applications in medical imaging and non-destructive testing.La multiplicité des usages du numérique et la variété des contextes d'utilisation poussent au développement de dispositifs d'interactions multimodaux intégrés permettant une interaction tactile tangible ou sans-contact avec des écrans. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont porté sur le développement d'un capteur pour l'interaction gestuelle sans contact reposant sur le rayonnement acoustique de plaques minces, telles que des écrans. Ce rayonnement, contrôlé par un faible nombre de transducteurs piézoélectriques couplés à la plaque, est réfléchi par les objets du volume situés au-dessus et capté par des microphones placés dans le plan de la plaque. En s'appuyant sur une méthode d'imagerie 3D par émission ultrasonore non focalisée combinée à une décomposition tensorielle par HOSVD, ces travaux ont permis de produire une image en temps réel (33 Hz) du volume (160 x 110 x 80 mm3) au-dessus de la plaque avec une résolution spatiale de 1 mm. Ces résultats permettent de premières applications de détection et de suivi de déplacement de doigts dans l'air. Le mouvement des mains produit également un décalage Doppler qui a été exploité pour reconnaître 11 gestes 3D réalisés au-dessus de la plaque par 19 participants. Un réseau de neurones récurrent de faible complexité permet leur détection et classification sans latence perceptible. Au-delà de l'interaction sans contact, les méthodes développées dans cette thèse d'imagerie rapide à faible nombre de transducteurs et de reconnaissance de motifs Doppler ouvrent des perspectives d'applications en imagerie médicale ou contrôle non destructif

Evaluation de la maturité des systèmes de réalité augmentée et de réalité virtuelle couplés au BIM

This thesis explores the assessment of the maturity of Augmented Reality (AR) and Virtual Reality (VR) systems coupled with Building Information Modeling (BIM), addressing a critical gap in the proper integration of these technologies in the construction sector. This study aims to develop a framework to evaluate the maturity of these systems based on ISO standards and established assessment models. While addressing the absence of existing adapted methods, the proposed framework incorporates a maturity model structured around four main components and relies on the use of indicators defined according to the ISO/IEC 15939 standard. The application of this standard has led to an evolutionary version of the concept and existing methods, offering maturity indicators based on key elements identified in the literature. These indicators combine several objective and subjective evaluation measures and define adapted interpretation procedures based on decision criteria specified by the standard. Furthermore, a decision-support tool is presented, automating the maturity assessment process and providing concrete recommendations to optimize the use of AR/VR systems coupled with BIM in construction projects. The developed framework has been validated by professional and academic experts, thereby strengthening its relevance and applicability in industrial contexts.Cette thèse explore l’évaluation de la maturité des systèmes de Réalité Augmentée (RA) et de Réalité Virtuelle (RV) couplés au Building Information Modeling (BIM), en répondant à un manque critique dans l’intégration appropriée de ces technologies dans le secteur de la construction. Cette étude vise à développer un framework pour évaluer la maturité de ces systèmes en s’appuyant sur des normes ISO et des modèles d’évaluation établis. Tout en palliant l'absence de méthodes existantes adaptées, le cadre proposé intègre un modèle de maturité structuré autour de quatre parties principales et repose sur l’utilisation d’indicateurs définis selon la norme ISO/IEC 15939. L’application de cette norme a conduit à une version évolutive du concept et des méthodes existantes, proposant des indicateurs de maturité sur la base des éléments clés déterminés de la littérature. Ces indicateurs combinent plusieurs mesures d’évaluation objectives et subjectives et définissent des procédures d’interprétation adaptées, basées sur des critères de décision spécifiés par la norme.En outre, un outil d’aide à la décision est présenté, automatisant le processus d’évaluation de la maturité et fournissant des recommandations concrètes pour optimiser l’utilisation des systèmes RA/RV couplés au BIM dans les projets de construction. Le framework développé a été validé par des experts professionnels et académiques, renforçant ainsi sa pertinence et son applicabilité dans des contextes industriels

Méthodologie de conception et d'amélioration des systèmes de production basée sur la RV et les indicateurs de performance du facteur humain

This thesis proposes a methodology of improving workstation design in production systems using immersive virtual reality (VR) for designers. By integrating ergonomic assessment tools and key performance indicators (KPIs), the methodology provides designers with a visual and data-driven approach to evaluate and improve workstation layouts while considering spatial allowances. To ensure the reliability of VR-based assessments, an experimental study was conducted to compare operator behavior in real and immersive workstations. Key behavioral metrics such as task execution time, joint angle variations, and subjective experiences were analyzed, revealing differences influenced by factors like learning effects, workstation order and workstation environment. These findings are incorporated into the methodology to enhance its applicability. A case study verified the methodology, demonstrating how VR-assisted workstation evaluation can identify operator's real behavior, augment productivity, and improve operator comfort. The results confirm that the workstation improvement methodology is a valuable tool for designers, promoting innovation and continuous improvement in production systems.Cette thèse propose une méthodologie visant à améliorer la conception des postes de travail dans les systèmes de production grâce à la réalité virtuelle (VR) immersive pour les concepteurs. En intégrant des outils d’évaluation ergonomique et des indicateurs clés de performance (KPIs), cette méthodologie offre aux concepteurs une approche visuelle et basée sur les données pour évaluer et optimiser l’aménagement des postes de travail tout en prenant en compte les allocations spatiales. Afin d’assurer la fiabilité des évaluations basées sur la VR, une étude expérimentale a été menée pour comparer le comportement des opérateurs dans des postes de travail réels et immersifs. Des métriques comportementales clés, telles que le temps d’exécution des tâches, les variations des angles articulaires et les expériences subjectives, ont été analysées, révélant des différences influencées par des facteurs tels que l’effet d’apprentissage, l’ordre de présentation des postes et l’environnement de travail. Ces résultats sont intégrés dans la méthodologie afin d’en améliorer l’applicabilité. Une étude de cas a permis de valider cette méthodologie, démontrant comment l’évaluation des postes de travail assistée par VR peut identifier le comportement réel des opérateurs, augmenter la productivité et améliorer leur confort. Les résultats confirment que cette méthodologie d’amélioration des postes de travail est un outil précieux pour les concepteurs, favorisant l’innovation et l’amélioration continue des systèmes de production

Usages domestiques de substances biocides : de la contamination de l'environment intérieur à l'exposition induite

Biocidal substances are ubiquitous in everyday products and can be used as active substances or preservatives in cosmetics, pesticides, human and veterinary medicines, disinfectants, building material protectants, and pest control products. Due to their widespread use and potential risks to human health and the environment, this thesis aims to study indoor environmental contamination and associated human exposure within domestic sphere. Twenty-nine biocidal substances were prioritized based on toxicity, usage, and analytical feasibility criteria. Consumption data from national databases were utilized to compare usage patterns and their temporal evolution. These patterns are heavily influenced by regulatory developments related to usage as well as consumer practices (e.g., increased disinfection during the covid-19 pandemic). Surveys on the formulation of products for private individuals, conducted in food and DIY stores, enabled the creation of an unprecedented database. Analysis of this database revealed the ubiquity of isothiazolinones and the omnipresence of quaternary ammoniums and pyrethroids compounds in certain product categories. To assess indoor environmental contamination, three matrices were selected: indoor air, settled dust, and greywater. Contamination data permitted the assessment of exposure through distinct pathways (inhalation, ingestion, and dermal contact). Specific methods for each matrix, from sampling to quantification by UPLC-MS/MS, were developed, optimized, and validated. In parallel, volunteers were recruited based on a national questionnaire (219 respondents) concerning consumption practices and the perceived risks associated with biocidal substances. Thirty-nine households in the Île-de-France region were selected to collect samples of air (gaseous and particulate fractions), greywater (dissolved and particulate fractions), and settled dust. In total, 14 air samples, 35 greywater samples (manual dishwashing, washing machine, shower, floor cleaning), and 26 dust samples were analyzed to quantify the 29 biocidal substances. The results highlighted varying concentrations across households and matrices. Using standardized exposure scenarios, risk quotients were calculated for different exposure pathways: inhalation, ingestion, and dermal contact. Potentially hazardous exposures for human health were identified for terbutryn and fipronil.Les substances biocides sont omniprésentes dans les produits du quotidien et peuvent être utilisées aussi bien comme substances actives que conservateurs dans les cosmétiques, les pesticides, les médicaments humains et vétérinaires, les désinfectants, les produits de protection des matériaux du bâti, la lutte contre les nuisibles... Du fait de ces nombreux usages courants et de potentiels risques pour la santé humaine et l’environnement, cette thèse vise à étudier la contamination de l’environnement intérieur et l’exposition humaine associée dans la sphère domestique. Vingt-neuf substances biocides ont été priorisées selon des critères de toxicité, d’usage et de faisabilité analytique. Des données de consommation issues de bases de données nationales ont été exploitées pour comparer les usages et leurs évolutions temporelles. Ces dernières sont fortement influencées par l’évolution des réglementations associées aux usages, mais aussi par les pratiques des consommateurs (par exemple la désinfection pendant la pandémie de covid-19). Des enquêtes sur la formulation des produits à destination des particuliers présents dans des magasins alimentaires et de bricolage ont permis la création d’une base de données originale. Son exploitation a révélé l’ubiquité des isothiazolinones, et l’omniprésence des ammoniums quaternaires et des pyréthrinoïdes dans certaines catégories de produits. Pour évaluer la contamination de l’environnement intérieur, trois matrices ont été sélectionnées, à savoir l’air intérieur, les poussières sédimentées et les eaux grises. Une évaluation de l’exposition propres à chaque voie (inhalation, ingestion et cutanée) a été permise à l’aide des données de contamination. Des méthodes pour chaque matrice, du prélèvement à la quantification par UPLC-MS/MS, ont été mises en place, optimisées et validées. Parallèlement, des volontaires ont été recrutés sur la base d’un questionnaire national (219 répondants) portant sur les pratiques de consommation et la perception des risques associés aux substances biocides. Trente-neuf logements situés en Île-de-France ont ainsi été sélectionnés pour réaliser des prélèvements d’air (fractions gazeuse et particulaire), d’eaux grises (fractions dissoute et particulaire) et de poussières sédimentées. Au total, 14 échantillons d’air, 35 échantillons d’eaux grises (vaisselle manuelle, lave-linge, douche, nettoyage des sols) et 26 échantillons de poussières ont été analysés pour quantifier les 29 substances biocides. Les résultats ont mis en évidence des concentrations variables selon les logements et les matrices. Ces concentrations ont permis par la suite, à l’aide de scénarios d’exposition standardisés, de calculer des quotients de risque selon les voies d’exposition : inhalation, ingestion et voies cutanées. Des expositions potentiellement dangereuses concernant la santé humaine ont été mises en évidence pour la terbutryne et le fipronil