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Large, ``rigid'' structures made of interconnecting beams and tendons represent a type of construction that has many engineering benefits. Lightweight, strong, and generally constructed of standard-shaped metal framework, they also incur significant challenges to control vibration. The construction that makes them strong, light, and ``rigid'' also makes them have very small inherent structural damping, and highly-complex modal structure. A myriad of control techniques have been developed to work on this problem with success usually in very small bandwidths related to a specific frequency ``hot-spot'' around a few specific modes. This work describes the design, analysis, and implementation of a novel controller configuration applicable to broadband vibration suppression on a large, uncertain resonant structure. The measurement, identification, characterization, and modeling of a large, flexible, lightly-damped test structure with in excess of 1000 modes in 50-5000Hz range was used as the basis for choosing a control configuration. This choice leverages the relative benefits of different control types to obtain one with a combination of the best features of all of them. High-order and low-order feedback, and feed-forward controller configurations were all used in different frequency ranges. Real design tradeoffs such as computation complexity, model accuracy, and available actuator technologies were fundamental to the design choices. Measured individual modal reduction was as much as 15dB for feedback control, 20dB for feed-forward control, and 4dB broadband over the range of 50-5000Hz. / Ph. D.

No

Les lésions, les maladies et les dysfonctionnements des organes tubulaires représentent un défi unique pour les bio-ingénieurs et les cliniciens. Une approche multidisciplinaire doit être appliquée pour réussir à développer des organes fonctionnels issus de l'ingénierie tissulaire (TE). Dans la recherche actuelle concernant la fabrication d'organes tubulaires fonctionnels, il manque un lien qui se concentre sur la corrélation entre (i) les exigences mécaniques et biologiques de la conception de l'échafaudage dictées par la structure anatomique et les fonctions physiologiques, (ii) le processus de fabrication (y compris la sélection des matériaux et la technique de traitement) et (iii) les propriétés mécaniques et biologiques résultantes de l'organe tubulaire TE développé. Par conséquent, le présent doctorat vise à relever certains des défis actuellement rencontrés dans l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative, et plus particulièrement dans la réparation des tendons et la modélisation des parois vasculaires. À cette fin, des biomatériaux spécifiques ont été conçus et caractérisés, et de multiples techniques de fabrication des biomatériaux ont été évaluées. Dans une première partie de cette thèse, des nouveaux polymères polyvalents photoréticulables à base d'uréthane (AUP) ont été développés, ainsi que leur mise en œuvre comme matériaux de départ pour le développement d'échafaudages tubulaires. Parce que chaque tissu a ses propres exigences mécaniques et biologiques, et parce que chaque technique de traitement a ses propres défis spécifiques, une boîte à outils de AUPs a été proposée. Des AUPs basés sur un backbone de poly(éthylène glycol) (PEG) et un backbone de poly(ε-caprolactone) (PCL) avec différentes masses molaires ont été synthétisés. Les AUPs ont montré une large gamme de propriétés physiques et mécaniques, couvrant les propriétés de nombreux tissus et les rendant idéales pour la médecine régénérative d'un point de vue mécanique. En outre, les AUPs développés ont permis une réticulation UV efficace à l'état solide, ouvrant la voie à diverses possibilités de techniques de fabrication, notamment l'électrospinning en solution (SES), l'impression 3D par extrusion (3DP) et l'électrowriting en fusion (MEW). Une des possibilités de technique de fabrication mentionnées ci-dessus se trouve dans le MEW. Actuellement, l'un des défis associés à l'utilisation du MEW est la disponibilité limitée de matériaux compatibles. Par conséquent, dans cette thèse de doctorat, la MEW a été étudiée en tant que technique de fabrication émergente pour transformer les AUPs développés en constructions tubulaires avec une architecture prédéfinie et présentant des propriétés mécaniques réglables. Une deuxième technique de fabrication choisie pour évaluer le potentiel des AUP développés est le SES. L'une des applications biomédicales possibles des constructions tubulaires en médecine régénérative est la réparation des tendons. Afin de surmonter les défis actuellement rencontrés dans la réparation des tendons, une combinaison d'une approche mécanique (par la conception du matériau et de l'échafaudage) et biologique (par des médicaments anti-adhésion et anti-inflammatoires) a été proposée dans cette thèse. Une autre application possible des constructions tubulaires en médecine régénérative peut être trouvée dans le domaine de la TE vasculaire. Dans cette thèse, l'utilisation d'un échafaudage synthétique tubulaire comme renfort pour des modèles à base de collagène a été exploitée dans le but d'obtenir les propriétés mécaniques requises pour la modélisation de la paroi vasculaire. Trois techniques de fabrications différentes (SES, 3DP et MEW) ont été évaluées pour le développement du renfort tubulaire en polymère. Outre l'utilisation d'un échafaudage de renforcement synthétique pour obtenir des propriétés mécaniques supérieures dans les modèles de parois vasculaires à base de collagène, une autre approche consiste à maintenir l'intégrité structurelle des échafaudages par réticulation chimique, physique ou enzymatique. Par conséquent, dans la deuxième partie de cette thèse, un collagène photoréticulable aux propriétés ajustables a été développé et comparé à l'étalon-or de la TE, à savoir la gélatine modifiée par le méthacrylamide. La distribution de fragments photoréticulables sur un squelette protéique peut affecter le comportement de réticulation d'un biomatériau, et donc aussi ses propriétés mécaniques et biologiques. Une connaissance approfondie à cet égard est essentielle pour les biomatériaux exploités dans l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative, afin de permettre la transposition de nouveaux biomatériaux fonctionnalisés du laboratoire au chevet du patient, compte tenu des contraintes réglementaires. C'est pourquoi l'analyse protéomique a été évaluée comme un outil permettant de mieux comprendre les modifications des biopolymères photoréticulables. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse ont permis d'élargir la variété de biomatériaux, mais ont également permis de mieux comprendre certaines exigences critiques concernant la conception des biomatériaux, la technique de fabrication ainsi que les propriétés mécaniques et biologiques de l'échafaudage. / Injury, diseases and malfunctioning of tubular organs represent a unique challenge for bioengineers and clinicians. A multidisciplinary approach needs to be applied to successfully develop functional tissue engineered (TE) organs. In the current research regarding the regeneration of functional tubular organs, there is a missing link that focuses on the correlation between (i) the mechanical and biological requirements of the scaffold design dictated by the anatomical structure and physiological functions, (ii) the fabrication process (including material selection and processing technique) and (iii) the resulting mechanical and biological properties of the developed tubular TE organ. Therefore, the current PhD focuses on addressing some of the challenges currently encountered in tissue engineering and regenerative medicine, and more specifically, in tendon repair and vascular wall modeling. To this end, specific biomaterials were designed and characterized, and multiple biomaterial processing techniques were evaluated. In a first part of this PhD thesis, novel versatile photo-crosslinkable urethane-based polymers (AUPs) were developed, along with their implementation as starting materials for the development of tubular scaffolds. Because each tissue has its own mechanical and biological requirements, and because each processing technique has its own specific challenges, a toolbox of AUPs was proposed, taken into account the challenges and requirements while synthesizing and formulating the AUPs. AUPs based on a poly(ethylene glycol) (PEG) backbone versus a poly(ε-caprolactone) (PCL) backbone with different molar masses were synthesized (i.e. AUP PEG2k, 20k; AUP PCL530, 2k, 10k and 20k). The developed PEG- and PCL-based AUPs showed a broad range in physical and mechanical properties, covering the properties of many tissues and rendering them ideal for regenerative medicine from a mechanical perspective. Moreover, the developed AUPs enabled efficient UV-crosslinking in the solid state, paving the way towards various processing opportunities, including solution electrospinning (SES), extrusion-based 3D printing (3DP) and melt electrowriting (MEW). One of the above-mentioned processing opportunities can be found in MEW. At present, one of the challenges associated with the use of MEW is the limited availability of compatible materials. Therefore, in this PhD thesis, MEW was investigated as an emerging fabrication technique to process the developed AUPs into tubular constructs with a predefined architecture and exhibiting tunable mechanical properties. A second processing technique that was selected to evaluate the processing potential of the developed AUPs is SES. One possible biomedical application of tubular constructs in regenerative medicine can be found in tendon repair. In order to overcome the challenges currently encountered in tendon repair (i.e. insufficient mechanical properties along with adhesion and inflammatory issues), a combination of a mechanical (by material and scaffold design) and biological approach (by anti-adhesion and anti-inflammatory drugs) was proposed in this PhD thesis. Another possible application of tubular constructs in regenerative medicine can be found in the field of vascular TE. In this PhD thesis, the use of a tubular, synthetic scaffold as reinforcement for collagen-based models was exploited with the aim to achieve the required mechanical properties for vascular wall modeling. Three different processing techniques (i.e. SES, 3DP, and MEW) were evaluated for the development of the tubular, polymeric reinforcement. Apart from using a synthetic reinforcement scaffold to achieve superior mechanical properties in collagen-based vascular wall models, another approach includes maintaining the scaffolds's structural integrity by chemical, physical or enzymatic crosslinking. Therefore, in a second part in this PhD thesis, a photo-crosslinkable collagen (COL-MA) with tunable properties was developed and benchmarked against the gold standard in TE, being methacrylamide-modified gelatin (GEL-MA). The distribution of photo-crosslinkable moieties onto a protein backbone can affect a biomaterial's crosslinking behavior, and therefore also its mechanical and biological properties. A profound insight in this respect is essential for biomaterials exploited in tissue engineering and regenerative medicine to enable translation of novel, functionalized biomaterials from bench to bedside, given regulatory constraints and the need for perfectly defined and reproducible biomaterials. Therefore, proteomic analysis was evaluated as a tool to gain next level insights in photo-crosslinkable biopolymer modifications. The research conducted in this PhD thesis resulted in the expansion of the biomaterial portfolio, but also provided greater insight into some critical requirements regarding biomaterial design, the fabrication process, and the scaffold's resulting mechanical and biological properties.

Morphing aircraft offer many benefits. However, the design of stiff yet flexible structures still provides many obstacles to fully exploring and realizing morphing structures. Due to this, many morphing challenges remain open. Topology optimization is a type of structural optimization that optimizes the material layout of a structure based on imposed boundary conditions and load paths. This type of optimization is promising for solving morphing design challenges but many of the optimized structures are not suited for traditional manufacturing and material arrangements. Multi-material additive manufacturing is an emerging technology that can produce a single structure with many different materials integrated in custom geometries. This could be the solution to realizing topology optimized structures. Despite the rich amount of current research in morphing aircraft, many challenges still remain open and topology of morphing structures could provide the solution to these morphing challenges. / Master of Science / Morphing aircraft offer many benefits. However, the design of stiff yet flexible structures still provides many obstacles to fully exploring and realizing morphing structures. Due to this, many morphing challenges remain open. Topology optimization is a type of structural optimization that optimizes the material layout of a structure based on imposed boundary conditions and load paths. This type of optimization is promising for solving morphing design challenges but many of the optimized structures are not suited for traditional manufacturing and material arrangements. Multi-material additive manufacturing is an emerging technology that can produce a single structure with many different materials integrated in custom geometries. This could be the solution to realizing topology optimized structures. Despite the rich amount of current research in morphing aircraft, many challenges still remain open and topology of morphing structures could provide the solution to these morphing challenges.

Cette thèse présente des résultats dans le domaine de la prédiction d’interactions protéine-ARN. C’est un domaine de recherche très actif, pour lequel la communauté internationale organise régulièrement des compétitions pour évaluer différentes techniques de prédictions in silico d’interactions protéine-protéine et protéine-ARN sur des données benchmarks (CAPRI, Critical Assessment of PRedictedInteractions), par prédiction en aveugle et en temps limité. Dans ce cadre, de nombreuses approches reposant sur des techniques d’apprentissage supervisé ont récemment obtenus de très bons résultats.Nos travaux s’inscrivent dans cette démarche.Nous avons travaillé sur des jeux de données de 120 complexes protéine-ARN extraits de la PRIDB non redondante (Protein-RNA Interface DataBase, banque de données de référence pour les interactions protéine-ARN). La méthodologie de prédiction d'interactions protéine-ARN a aussi été testée sur 40 complexes issus de benchmarks de l'état de l'art et indépendants des complexes de la PRIDB non redondante. Le faible nombre de structures natives et la difficulté de générer in silico des structures identiques à la solution in vivo nous a conduit à mettre en place une stratégie de génération de candidats par perturbation de l’ARN partenaire d’un complexe protéine-ARN natif. Les candidats ainsi obtenus sont considérés comme des conformations presque-natives si elles sont suffisamment proches du natif. Les autres candidats sont des leurres. L’objectif est de pouvoir identifier les presque natifs parmi l’ensemble des candidats potentiels, par apprentissage supervisé d'une fonction de score.Nous avons conçu pour l'évaluation des fonctions de score une méthodologie de validation croisée originale appelée le leave-"one-pdb"-out, où il existe autant de strates que de complexes protéine-ARN et où chaque strate est constituée des candidats générés à partir d'un complexe. L’une des approches présentant les meilleures performances à CAPRI est l’approche RosettaDock, optimisée pour la prédiction d’interactions protéine-protéine. Nous avons étendu la fonction de score native de RosettaDock pour résoudre la problématique protéine-ARN. Pour l'apprentissage de cette fonction de score, nous avons adapté l'algorithme évolutionnaire ROGER (ROC-based Genetic LearnER) à l'apprentissage d'une fonction logistique. Le gain obtenu par rapport à la fonction native est significatif.Nous avons aussi mis au point d'autres modèles basés sur des approches de classifieurs et de métaclassifieurs, qui montrent que des améliorations sont encore possibles.Dans un second temps, nous avons introduit et mis en oeuvre une nouvelle stratégie pour l’évaluation des candidats qui repose sur la notion de prédiction multi-échelle. Un candidat est représenté à la fois au niveau atomique, c'est-à-dire le niveau de représentation le plus détaillé, et au niveau dit “gros-grain”où nous utilisons une représentation géométrique basée sur des diagrammes de Voronoï pour regrouper ensemble plusieurs composants de la protéine ou de l’ARN. L'état de l'art montre que les diagrammes de Voronoï ont déjà permis d'obtenir de bons résultats pour la prédiction d'interactions protéine-protéine. Nous en évaluons donc les performances après avoir adapté le modèle à la prédiction d'interactions protéine-ARN. L’objectif est de pouvoir rapidement identifier la zone d’interaction (épitope) entre la protéine et l’ARN avant d’utiliser l’approche atomique, plus précise,mais plus coûteuse en temps de calcul. L’une des difficultés est alors de pouvoir générer des candidats suffisamment diversifiés. Les résultats obtenus sont prometteurs et ouvrent desperspectives intéressantes. Une réduction du nombre de paramètres impliqués de même qu'une adaptation du modèle de solvant explicite pourraient en améliorer les résultats. / My thesis shows results for the prediction of protein-RNA interactions with machine learning. An international community named CAPRI (Critical Assessment of PRedicted Interactions) regularly assesses in silico methods for the prediction of the interactions between macromolecules. Using blindpredictions within time constraints, protein-protein interactions and more recently protein-RNA interaction prediction techniques are assessed.In a first stage, we worked on curated protein-RNA benchmarks, including 120 3D structures extracted from the non redundant PRIDB (Protein-RNA Interface DataBase). We also tested the protein-RNA prediction method we designed using 40 protein-RNA complexes that were extracted from state-ofthe-art benchmarks and independent from the non redundant PRIDB complexes. Generating candidates identical to the in vivo solution with only a few 3D structures is an issue we tackled by modelling a candidate generation strategy using RNA structure perturbation in the protein-RNAcomplex. Such candidates are either near-native candidates – if they are close enough to the solution– or decoys – if they are too far away. We want to discriminate the near-native candidates from thedecoys. For the evaluation, we performed an original cross-validation process we called leave-”onepdb”-out, where there is one fold per protein-RNA complex and each fold contains the candidates generated using one complex. One of the gold standard approaches participating in the CAPRI experiment as to date is RosettaDock. RosettaDock is originally optimized for protein-proteincomplexes. For the learning step of our scoring function, we adapted and used an evolutionary algorithm called ROGER (ROC-based Genetic LearnER) to learn a logistic function. The results show that our scoring function performs much better than the original RosettaDock scoring function. Thus,we extend RosettaDock to the prediction of protein-RNA interactions. We also evaluated classifier based and metaclassifier-based approaches, which can lead to new improvements with further investigation.In a second stage, we introduced a new way to evaluate candidates using a multi-scale protocol. A candidate is geometrically represented on an atomic level – the most detailed scale – as well as on a coarse-grained level. The coarse-grained level is based on the construction of a Voronoi diagram over the coarse-grained atoms of the 3D structure. Voronoi diagrams already successfully modelled coarsegrained interactions for protein-protein complexes in the past. The idea behind the multi-scale protocolis to first find the interaction patch (epitope) between the protein and the RNA before using the time consuming and yet more precise atomic level. We modelled new scoring terms, as well as new scoring functions to evaluate generated candidates. Results are promising. Reducing the number of parameters involved and optimizing the explicit solvent model may improve the coarse-grained level predictions.

>Magister Scientiae - MSc / Although the interior operators correspond to a special class of neighbourhood operators, the closure operators are not nicely related to the latter. We introduce and study the notion of topogenous orders on a category which provides a basis for categorical study of topology. We show that they are equivalent to the categorical neighbourhood operators and house the closure and interior operators. The natural notion of strict morphism with respect to a topogenous order is shown to capture the known ones in the settings of closure, interior and neighbourhood operators.

As vigas mistas de aço e concreto são elementos estruturais que resultam da associação de um perfil de aço laminado, formado a frio ou soldado, e de uma laje de concreto podendo esta ser moldada in loco, pré-fabricada ou com forma de aço incorporada. A construção de vigas mistas com laje de vigotas pré-moldadas de concreto não é prevista pela norma brasileira de dimensionamento de elementos de aço NBR 8800:2008 e poucos estudos foram realizados até o momento. Geralmente, os estudos realizados sobre vigas mistas são feitos em modelos compostos por perfil de aço e uma faixa de laje denominada largura efetiva. Neste trabalho foi desenvolvido um estudo teórico e experimental de vigas mistas fazendo parte de um pavimento tipo. O objetivo principal foi o estudo do comportamento das vigas mistas pertencentes a um pavimento tipo quando submetidas a diferentes tipos de carregamentos, distribuídos e concentrados, verificação da formação de fissuras na laje e a importância de considerar uma faixa de laje maciça na região da largura efetiva sobre as vigas. A análise numérica foi realizada utilizando o pacote comercial ANSYS e por meio das expressões de cálculo fornecidas pela norma brasileira de aço e adaptações para consideração da pré-laje de concreto. Os resultados mostraram um bom desempenho das vigas mistas comparadas com a resistência de cálculo de acordo com as expressões fornecidas pela norma para vigas mistas com pré-laje de concreto e a importância da execução de uma faixa maciça na região da largura efetiva. / The composite steel and concrete beams are structural elements witch results of association by a hot rolled, cold formed or welded steel beam and concrete slab which can be made in site, precast or with steel deck. The design of composite beams made with slab made with precast type lattice joist isn\'t anticipated by the brazilian code and a few studies has been made up to now. Usually, the studies about composite beams are made with steel beam and a concrete\'s zone called a slab\'s effective width. In this work a teorical and experimetal studies were presented with a frame\'s composite beams. The aim of this work was investigate the behaviour when differents loads, distributed and concentrated, were apllied, find out if cracks appeared and the importance of design a solid slab on the effective width\'s regions. The theorical analysis made using the code ANSYS v.10.0 and with expressions of brazilian code for composite beams with precast slabs. The results have shown a good agreement with code\'s analitical models and teh importance of design a solid slab on the effective width\'s regions.