IK-FA, a new heuristic inverse kinematics solver using firefly algorithm

In this paper, a heuristic method based on Firefly Algorithm is proposed for inverse kinematics problems in articulated robotics. The proposal is called, IK-FA. Solving inverse kinematics, IK, consists in finding a set of joint-positions allowing a specific point of the system to achieve a target position. In IK-FA, the Fireflies positions are assumed to be a possible solution for joints elementary motions. For a robotic system with a known forward kinematic model, IK-Fireflies, is used to generate iteratively a set of joint motions, then the forward kinematic model of the system is used to compute the relative Cartesian positions of a specific end-segment, and to compare it to the needed target position. This is a heuristic approach for solving inverse kinematics without computing the inverse model. IK-FA tends to minimize the distance to a target position, the fitness function could be established as the distance between the obtained forward positions and the desired one, it is subject to minimization. In this paper IK-FA is tested over a 3 links articulated planar system, the evaluation is based on statistical analysis of the convergence and the solution quality for 100 tests. The impact of key FA parameters is also investigated with a focus on the impact of the number of fireflies, the impact of the maximum iteration number and also the impact of (a, ß, ¿, d) parameters. For a given set of valuable parameters, the heuristic converges to a static fitness value within a fix maximum number of iterations. IK-FA has a fair convergence time, for the tested configuration, the average was about 2.3394 × 10-3 seconds with a position error fitness around 3.116 × 10-8 for 100 tests. The algorithm showed also evidence of robustness over the target position, since for all conducted tests with a random target position IK-FA achieved a solution with a position error lower or equal to 5.4722 × 10-9.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Combined effect of ultrasound stimulations and autoclaving on the enhancement of antibacterial activity of ZnO and SiO₂/ZnO nanoparticles

This study investigates the antibacterial activity (ABA) of suspensions of pure ZnO nanoparticles (ZnO-NPs) and mesoporous silica doped with ZnO (ZnO-UVM7), as well as electrospun nanofibers containing those nanoparticles. The minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) of these two materials were also determined under the same conditions. The results showed a concentration-dependent effect of antibacterial nanoparticles on the viability of Escherichia coli (E. coli). Moreover, the combination of the stimulations and sterilization considerably enhanced the antimicrobial activity (AMA) of the ZnO suspensions. Poly (lactic acid) (PLA) solutions in 2,2,2-trifluoroethanol (TFE) were mixed with different contents of nanoparticles and spun into nonwoven mats by the electrospinning process. The morphology of the mats was analyzed by scanning electron microscopy (SEM). The amount of nanoparticles contained in the mats was determined by thermogravimetric analysis (TGA). The obtained PLA-based mats showed a fibrous morphology, with an average diameter ranging from 350 to 450 nm, a porosity above 85%, but with the nanoparticles agglomeration on their surface. TGA analysis showed that the loss of ZnO-NPs increased with the increase of ZnO-NPs content in the PLA solutions and reached 79% for 1 wt % of ZnO-NPs, which was mainly due to the aggregation of nanoparticles in solution. The ABA of the obtained PLA mats was evaluated by the dynamic method according to the ASTM standard E2149. The results showed that, above an optimal concentration, the nanoparticle agglomeration reduced the antimicrobial efficiency of PLA mats. These mats have potential features for use as antimicrobial food packaging material

Toward Intelligent Biped-Humanoids Gaits Generation

In this chapter we will highlight our experimental studies on natural human walking analysis and introduce a biologically inspired design for simple bipedal locomotion system of humanoid robots. Inspiration comes directly from human walking analysis and human muscles mechanism and control. A hybrid algorithm for walking gaits generation is then proposed as an innovative alternative to classically used kinematics and dynamic equations solving, the gaits include knee, ankle and hip trajectories. The proposed algorithm is an intelligent evolutionary based on particle swarm optimization paradigm. This proposal can be used for small size humanoid robots, with a knee an ankle and a hip and at least six Degrees of Freedom (DOF).Comment: 15 page

Élaboration de nouveaux matériaux nanocomposites antibactériens à base de nanoparticules d'oxyde de zinc

RÉSUMÉ Il y a de plus en plus d'intérêt dans l'utilisation d'emballages intelligents ou actifs capables de répondre aux demandes des producteurs et des consommateurs pour des produits plus sûrs, avec une durée de conservation plus longue et une qualité supérieure. Les nanoparticules d’oxyde de zinc (ZnO) sont apparues comme des candidates prometteuses pour une nouvelle génération de systèmes d'emballage alimentaire actif avec des propriétés antimicrobiennes. Ceci est dû à leur forte activité antibactérienne contre un large spectre de microorganismes d'origine alimentaire. Le ZnO est stable dans des conditions de mise en forme exigeantes, rentable et est reconnu comme un matériau sûr (GRAS) par la FDA (Food and Drug Administration). Cette thèse vise à développer des matériaux polymères antibactériens à base de ZnO par deux procédés différents qui sont le procédé d'électrofilage et le revêtement ainsi que l'évaluation des propriétés antibactériennes des nanocomposites développés. La première partie de ce travail s'est intéressée à l'étude de l'activité antibactérienne (AAB) des suspensions de nanoparticules de ZnO pures et de silice mésoporeuse dopée au ZnO (ZnO-UVM-7) ainsi que celle des nanofibres électrofilées contenant ces nanoparticules. Les propriétés antibactériennes ont également été évaluées en termes de concentration minimale inhibitrice (CMI) et de concentration minimale bactéricide (CMB) en présence de certains prétraitements (stérilisation et vibrations ultrasonores). La morphologie des nanofibres développées a été analysée par microscopie électronique à balayage (MEB), et la quantité de nanoparticules contenue dans les nanofibres a été analysée par analyse thermogravimétrique (ATG). L'activité antibactérienne des nanofibres d'acide polylactique (PLA) a été évaluée par la méthode dynamique selon la norme ASTM E2149 contre une bactérie à Gram-négatif (Escherichia coli (E. coli)). Les résultats ont indiqué un effet dépendant de la concentration sur la viabilité d'E. coli. Par ailleurs, la combinaison des vibrations ultrasonores et de la stérilisation a considérablement amélioré l'activité antibactérienne des suspensions de ZnO. Les nanofibres de PLA ont montré une morphologie fibreuse, avec un diamètre moyen allant de 350 à 450 nm, et leur activité antibactérienne a été réduite au-dessus d'une concentration seuil. La diminution de leur efficacité antibactérienne s'explique par la perte et l'agglomération de nanoparticules de ZnO lors du procédé de fabrication des nanofibres. La deuxième partie a examiné les propriétés rhéologiques des solutions de PLA utilisées dans le procédé d'électrofilage et l'évaluation morphologique des nanofibres produites. En effet, l'effet des nanoparticules de ZnO, ZnO-UVM-7, SiO2 et TiO2 a été étudié pour différentes solutions et solvants (2,2,2-trifluoroethanol (TFE) et chloroforme) de PLA pour comprendre la morphologie des nanofibres. Les résultats ont montré que les solutions de PLA et de TFE avec une faible teneur en ZnO présentaient une viscosité plus élevée que celle du PLA pur, mais montraient une valeur maximale à 3 % (p/p). Une teneur plus élevée en ZnO a provoqué une diminution notable de la viscosité des solutions qui a été attribuée à la dégradation du PLA. Alors qu'en présence de chloroforme, la viscosité des solutions de PLA augmentait en augmentant la teneur en ZnO. Les autres nanoparticules analysées formaient des suspensions stables en présence de TFE. Un mécanisme de dégradation plausible du PLA dans les solutions a également été présenté. Dans la troisième et dernière partie, une nouvelle approche simple pour enduire des films de polyéthylène à basse densité (LDPE) avec des nanoparticules de ZnO a été présentée. L'activité antibactérienne des films de LDPE a été évaluée vis-à-vis des bactéries Gram-positif et Gram-négatif. Les tests antibactériens ont prouvé que les films enduits de ZnO présentaient une inhibition considérable contre E. coli et Staphylococcus aureus (S. aureus). Les images MEB ont montré que l'utilisation de résine de LDPE modifiée par l'anhydride maléique (LDPE-g-AM) a permis d'améliorer la distribution des nanoparticules de ZnO sur la surface des films de LDPE, réduire la taille des agglomérats et renforcer la liaison de ZnO à la surface du film de LDPE. Les résultats ont également prouvé que les films recouverts conservaient leur efficacité antibactérienne envers E. coli même après 8 mois avec un taux de réduction supérieur à 99.9 %. Pour conserver une activité antibactérienne considérable, il est recommandé de laminer les films enduits avec une couche de polymère pur dont l'épaisseur ne dépasse pas 8 µm. Cette approche de revêtement a permis d'obtenir une efficacité antibactérienne considérable des nanoparticules de ZnO qui était totalement absente dans le cas où les nanoparticules de ZnO étaient mélangées avec le polymère à l'état fondu. ---------- ABSTRACT Interest has been growing recently in the use of intelligent or active packaging that can meet producers and consumers demands for safer products with longest shelf lives and higher quality. Zinc oxide (ZnO) nanoparticles have emerged as promising candidates for a new generation of active food packaging systems with antimicrobial properties particularly due to their strong antibacterial activity against a broad spectrum of food-borne microorganisms. ZnO is stable under harsh processing conditions, cost-effective and is generally recognized as safe materials (GRAS) by the FDA (The Food and Drug Administration). This thesis aims at developing ZnO-based antibacterial materials by two different processes which are the electrospinning process and coating, as well as the evaluation of the antibacterial properties of the nanocomposites developed. The first part of this work focused on the investigation of the antibacterial activity (ABA) of suspensions of pure ZnO nanoparticles and mesoporous silica doped with ZnO (ZnO-UVM-7) as well as electrospun polylactic acid (PLA) nanofibers containing those nanoparticles. The antibacterial properties were also evaluated in terms of minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) with some pretreatments (sterilization and ultrasound vibrations). The morphology of the developed nanofibers mats was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and the amount of nanoparticles contained in the mats was analyzed by thermogravimetric analysis (TGA). The ABA of the PLA mats was assessed by the dynamic method according to the ASTM standard E2149 against a Gram-negative bacteria (Escherichia coli (E. coli)). The results indicated a concentration-dependent effect on the viability of E. coli. Besides, the combination of the ultrasound stimulations and sterilization has considerably enhanced the ABA of the ZnO suspensions. PLA mats showed a fibrous morphology, with an average diameter ranging from 350 to 450 nm and their ABA was reduced above an optimal concentration. The decrease in their antibacterial efficiency was explained by the loss and agglomeration of ZnO nanoparticles. The second part examined the rheological properties of PLA solutions used in the electrospinning of the PLA nanofibrous mats and their morphological evaluation. In fact, the effect of ZnO, ZnO-UVM-7, SiO2 and TiO2 nanoparticles was investigated for various PLA solutions and solvents (2,2,2-trifluoroethanol (TFE) and chloroform) to understand the achieved morphology of the nanofibers. The results showed that PLA and TFE solutions with low loading level of ZnO nanoparticles exhibited higher viscosity than neat PLA ones, with a maximum value at 3 wt %. Higher content of ZnO caused a notable decrease in solutions viscosity which was attributed to PLA degradation. In the presence of chloroform, the viscosity of the PLA solutions increased always by increasing ZnO content. The others nanoparticles analyzed formed stable suspensions in the presence of TFE. A plausible degradation mechanism of PLA in TFE solutions was also presented. In the third and last part, a new and simple approach to coat linear low density polyethylene (LDPE) films with ZnO nanoparticles was presented. The ABA of LDPE films were evaluated toward Gram-positive and Gram-negative bacteria. The antibacterial test proved that ZnO coated films showed considerable inhibition against E. coli and Staphylococcus aureus (S. aureus). SEM images showed that the use of anhydride-modified LDPE (LDPE-g-AM) resin allowed an improvement in the distribution of ZnO nanoparticles on the surface of LDPE films, reduced the size of agglomerates and reinforced the bonding of ZnO nanoparticles to the surface of LDPE film. The results also proved that the coated films retained their antibacterial efficiency toward E. coli, even after 8 months, with a reduction rate higher than 99.9 %. To keep a considerable antibacterial activity, it is recommended to laminate the coated films with a neat LDPE layer whose thickness does not exceed 8 µm. This coating approach guaranteed a good antibacterial property of the ZnO nanoparticles that were absent in the case where they were compounded with the polymer in the melt state

A study of bacterial arsenic resistance system (ars) : diversity of the transporters and molecular analysis of an ars open

L’arsenic est un métalloïde largement répandu dans l’environnement. Il se trouve essentiellement sous deux formes toxiques : l’arséniate [As(V)] et l’arsénite [As(III)]. De nombreux microorganismes sont capables de transformer l’arsenic (par oxydation, réduction et méthylation) et sont ainsi directement impliqués dans le cycle biogéochimique de ce métalloïde. Parmi les mécanismes de transformation de l’arsenic, le système ars semble largement répandu parmi les bactéries. Il consiste à transformer As(V) en As(III) (qui est la forme la plus toxique et la plus mobile de l’arsenic), puis à expulser ce dernier à l’extérieur de la cellule sous l’action d’un transporteur d’arsénite membranaire. Deux familles de transporteurs d’arsénite ont été décrites chez les procaryotes : la famille ArsB (la plus étudiée) et la famille Acr3p, elle même subdivisée en deux groupes. Dans le cadre de ce travail nous avons défini trois jeux d’amorces dégénérées permettant l’amplification des gènes arsB et ACR3. Ces amorces ont été utilisées pour la détection des gènes arsB/ACR3 de quarante et un isolats bactériens résistants à l’arsenic isolés à partir de deux sols lorrains présentant des concentrations différentes en arsenic. Les résultats PCR ont montré que 70,7 % des isolats contiennent un gène de transporteur d’arsénite avec une prévalence du génotype ACR3 par rapport à arsB. Ces résultats ont ainsi validé l’utilisation de nos amorces pour la détection des gènes de transporteurs d’arsénite. En plus de la validation des amorces, nous avons largement caractérisé la collection de quarante et un isolats bactériens résistants à l’arsenic : identification moléculaire, détermination des CMIs à As(III), As(V) et Sb(III) et recherche des activités arsénite oxydase et arséniate réductase. Parmi ces quarante et une souches, deux présentent une activité arsénite oxydase et trente-neuf une activité arséniate réductase. L’isolat A33 Microbacterium sp. s’est distingué par son niveau de résistance particulièrement élevé à As(III) et As(V). Nous avons identifié par une approche moléculaire, le système ars de cette souche. Notre analyse a révélé un système original composé de 6 gènes arsT, arsX, ACR3(1), arsRC2, arsC1 et arsC3 qui codent respectivement une thiorédoxine réductase, une thiorédoxine, un transporteur d’arsénite, une protéine de fusion "régulateur-arséniate réductase", une arséniate réductase et une autre arséniate réductase. Les cinq premiers gènes font partie d’un même opéron et arsC3 est transcrit dans une direction opposée. Bien que la thiorédoxine réductase et la thiorédoxine soient connues pour être indispensables au fonctionnement de certaines ArsC thiorédoxine dépendantes, les gènes arsT et arsX font rarement partie des opérons ars connus. De même ArsRC2 est une protéine atypique rarement trouvé dans les opérons ars connus. Une autre particularité de l’opéron ars de Microbacterium sp. est la protéine ArsC3 qui contient le motif "CX5R" spécifique des ArsC thiorédoxine dépendantes mais ne contient pas les deux résidus cystéines localisés du coté C-terminal de ces dernières et indispensables pour la réduction d’As(V) en As(III). Une stratégie est proposée pour analyser le rôle de chaque gène de l’opéron ars de Microbacterium sp. dans la résistance à As(III) et As(V).Arsenic is an ubiquitous toxic metalloid. The two most common forms of arsenic in the environment are inorganic arsenate [As(V)] and arsenite [As(III)]. Many microorganisms are able to transform arsenic (by oxidation, reduction and methylation) and thus play an important role in the biogeochemical cycle of this metalloid. Among the mechanisms of arsenic transformation, the ars system seems to be widely distributed in bacteria. This detoxification system involves the reduction of As(V) in As(III) (the most toxic and most mobile form) which is then pumped out of the cell through an integral membrane transporter. Two unrelated families of arsenite transporters have been described in prokaryotes: the well-characterized ArsB family and the Acr3p family which is subdivided into two subgroups. In this study, we designed three sets of degenerate primers allowing the amplification of the arsB and ACR3 genes. These primers were used to screen a collection of forty-one arsenic-resistant strains isolated from two soil samples from Lorraine with contrasting levels of arsenic concentration. PCR results showed that 70.7 % of the isolates contained a gene related to arsB or ACR3 family. The ACR3 genotype was predominant over arsB. These results validated the use of our primers for the identification of arsenite transporter genes. In addition to validating the primers, we characterised a novel collection of forty-one arsenic-resistant strains: molecular identification, MIC determination for As(III), As(V) and Sb(III) and detection of arsenite oxidase and arsenate reductase activities. Among these forty-one strains, arsenite oxidase activity was detected in two strains and arsenate reductase activity in thirty-nine. The Microbacterium sp. A33 isolate showed high resistance level to both As(III) and As(V). We used a molecular approach to identify arsenic resistance (ars) genes of this strain. Our analysis revealed an original system composed of 6 genes : arsT, arsX, ACR3(1), arsRC2, arsC1 et arsC3 that encode a thioredoxin reductase, a thioredoxin, an arsenite transporter, a fusion protein "regulator-arsenate reductase", an arsenate reductase and another arsenate reductase respectively. The first five genes belong to the same operon and arsC3 gene is transcribed in the opposite direction. Thioredoxin and thioredoxin reductase are essential to thioredoxin-coupled arsenate reductase activity. However, the majority of ars operons don’t encode these proteins. The atypical protein ArsRC2 is also rarely present in ars operon. The ArsC3 arsenate reductase is another particularity of Microbacterium sp. ars system. ArsC3 contains the CX5R specific motif of thioredoxin-coupled arsenate reductases but don’t contains in the C-terminal extremity the two cysteine residues essential for reduction of As(III) to As(V). A strategy is proposed to analyze the role of each Microbacterium sp. ars gene in resistance to As (III) and As(V)

Etude du système ars bactérien de résistance à l'arsenic : diversité des transporteurs d'arsénite et analyse moléculaire d'un opéron ars

Arsenic is an ubiquitous toxic metalloid. The two most common forms of arsenic in the environment are inorganic arsenate [As(V)] and arsenite [As(III)]. Many microorganisms are able to transform arsenic (by oxidation, reduction and methylation) and thus play an important role in the biogeochemical cycle of this metalloid. Among the mechanisms of arsenic transformation, the ars system seems to be widely distributed in bacteria. This detoxification system involves the reduction of As(V) in As(III) (the most toxic and most mobile form) which is then pumped out of the cell through an integral membrane transporter. Two unrelated families of arsenite transporters have been described in prokaryotes: the well-characterized ArsB family and the Acr3p family which is subdivided into two subgroups. In this study, we designed three sets of degenerate primers allowing the amplification of the arsB and ACR3 genes. These primers were used to screen a collection of forty-one arsenic-resistant strains isolated from two soil samples from Lorraine with contrasting levels of arsenic concentration. PCR results showed that 70.7 % of the isolates contained a gene related to arsB or ACR3 family. The ACR3 genotype was predominant over arsB. These results validated the use of our primers for the identification of arsenite transporter genes. In addition to validating the primers, we characterised a novel collection of forty-one arsenic-resistant strains: molecular identification, MIC determination for As(III), As(V) and Sb(III) and detection of arsenite oxidase and arsenate reductase activities. Among these forty-one strains, arsenite oxidase activity was detected in two strains and arsenate reductase activity in thirty-nine. The Microbacterium sp. A33 isolate showed high resistance level to both As(III) and As(V). We used a molecular approach to identify arsenic resistance (ars) genes of this strain. Our analysis revealed an original system composed of 6 genes : arsT, arsX, ACR3(1), arsRC2, arsC1 et arsC3 that encode a thioredoxin reductase, a thioredoxin, an arsenite transporter, a fusion protein "regulator-arsenate reductase", an arsenate reductase and another arsenate reductase respectively. The first five genes belong to the same operon and arsC3 gene is transcribed in the opposite direction. Thioredoxin and thioredoxin reductase are essential to thioredoxin-coupled arsenate reductase activity. However, the majority of ars operons don?t encode these proteins. The atypical protein ArsRC2 is also rarely present in ars operon. The ArsC3 arsenate reductase is another particularity of Microbacterium sp. ars system. ArsC3 contains the CX5R specific motif of thioredoxin-coupled arsenate reductases but don?t contains in the C-terminal extremity the two cysteine residues essential for reduction of As(III) to As(V). A strategy is proposed to analyze the role of each Microbacterium sp. ars gene in resistance to As (III) and As(V).L?arsenic est un métalloïde largement répandu dans l?environnement. Il se trouve essentiellement sous deux formes toxiques : l?arséniate [As(V)] et l?arsénite [As(III)]. De nombreux microorganismes sont capables de transformer l?arsenic (par oxydation, réduction et méthylation) et sont ainsi directement impliqués dans le cycle biogéochimique de ce métalloïde. Parmi les mécanismes de transformation de l?arsenic, le système ars semble largement répandu parmi les bactéries. Il consiste à transformer As(V) en As(III) (qui est la forme la plus toxique et la plus mobile de l?arsenic), puis à expulser ce dernier à l?extérieur de la cellule sous l?action d?un transporteur d?arsénite membranaire. Deux familles de transporteurs d?arsénite ont été décrites chez les procaryotes : la famille ArsB (la plus étudiée) et la famille Acr3p, elle même subdivisée en deux groupes. Dans le cadre de ce travail nous avons défini trois jeux d?amorces dégénérées permettant l?amplification des gènes arsB et ACR3. Ces amorces ont été utilisées pour la détection des gènes arsB/ACR3 de quarante et un isolats bactériens résistants à l?arsenic isolés à partir de deux sols lorrains présentant des concentrations différentes en arsenic. Les résultats PCR ont montré que 70,7 % des isolats contiennent un gène de transporteur d?arsénite avec une prévalence du génotype ACR3 par rapport à arsB. Ces résultats ont ainsi validé l?utilisation de nos amorces pour la détection des gènes de transporteurs d?arsénite. En plus de la validation des amorces, nous avons largement caractérisé la collection de quarante et un isolats bactériens résistants à l?arsenic : identification moléculaire, détermination des CMIs à As(III), As(V) et Sb(III) et recherche des activités arsénite oxydase et arséniate réductase. Parmi ces quarante et une souches, deux présentent une activité arsénite oxydase et trente-neuf une activité arséniate réductase. L?isolat A33 Microbacterium sp. s?est distingué par son niveau de résistance particulièrement élevé à As(III) et As(V). Nous avons identifié par une approche moléculaire, le système ars de cette souche. Notre analyse a révélé un système original composé de 6 gènes arsT, arsX, ACR3(1), arsRC2, arsC1 et arsC3 qui codent respectivement une thiorédoxine réductase, une thiorédoxine, un transporteur d?arsénite, une protéine de fusion "régulateur-arséniate réductase", une arséniate réductase et une autre arséniate réductase. Les cinq premiers gènes font partie d?un même opéron et arsC3 est transcrit dans une direction opposée. Bien que la thiorédoxine réductase et la thiorédoxine soient connues pour être indispensables au fonctionnement de certaines ArsC thiorédoxine dépendantes, les gènes arsT et arsX font rarement partie des opérons ars connus. De même ArsRC2 est une protéine atypique rarement trouvé dans les opérons ars connus. Une autre particularité de l?opéron ars de Microbacterium sp. est la protéine ArsC3 qui contient le motif "CX5R" spécifique des ArsC thiorédoxine dépendantes mais ne contient pas les deux résidus cystéines localisés du coté C-terminal de ces dernières et indispensables pour la réduction d?As(V) en As(III). Une stratégie est proposée pour analyser le rôle de chaque gène de l?opéron ars de Microbacterium sp. dans la résistance à As(III) et As(V)