Les chargements dynamiques extrêmes sont une cause importante des dommages des structures. Dans la nature, certaines plantes, particulièrement les arbres, résistent régulièrement à des chargements extrêmes comme lors de tempêtes. Pour ces structures vivantes, produits de l'évolution, dissiper efficacement l'énergie mécanique reçue lors de tels chargements conditionne leur survie et le mécanisme de leur amortissement est donc probablement optimisé. L'idée bio-inspirée défendue ici est que le branchement offre aux structures flexibles un mécanisme d'amortissement robuste et spécifique aux vibrations de grande amplitude. La dynamique en grands déplacements d'un modèle branché élémentaire ayant deux degrés de liberté est étudiée, mettant en évidence un transfert non linéaire d'énergie entre les modes propres. Ce transfert provient de non-linéarités géométriques et s'explique par une excitation centrifuge des branches par l'oscillation du tronc ; cette excitation est effective lorsque le rapport des fréquences des modes correspondants est approximativement de 2. Ce mécanisme, dénommé \mbox{"amortissement par le branchement"}, produit une dissipation spécifique qui augmente avec l'amplitude des vibrations. Il apparaît comme robuste vis-à-vis de la variété des sources possibles de dissipation de la structure, provenant, par exemple, de l'interaction avec un fluide environnant. En utilisant la méthode des éléments finis, l'analyse de la dynamique en grands déplacements d'un modèle branché continu constitué de poutres, excité par lâcher ou par forçage, montre l'applicabilité du mécanisme à des structures plus complexes. Une expérience met en évidence ce mécanisme d'amortissement par le branchement sur une structure flexible branchée et réglée en fréquence. Ces résultats ont permis de concevoir un absorbeur dynamique branché pour les systèmes en rotation, lequel offre des performances supérieures, dans une certaine gamme d'amplitudes, à celles d'un absorbeur dynamique classique équivalent. Enfin, l'analyse d'un modèle ramifié suggère que ce mécanisme est effectivement présent dans les arbres.

The work presented in this dissertation was aimed at understanding biology's application of soft materials to enhance sensing abilities and initiate innovative bio-inspired material-based approaches for flow (fluidic and air) sensors and photo-thermal sensors. A key aim is to help strengthen this niche of functional materials science referred to, here, as bio-inspired materials in sensing roles. The work aspires to traverse the boundaries of the subject in order to provide a strong foundation for future scientific explorations of the subject. The studies presented here, include studies of flow sensing in fish and implementing a bio-mimetic approach to microfabricated flow sensors. The work also includes studies of material based signal filtering in spiders, as well as, bio-inspired photo-thermal transduction mechanisms. The capabilities of the methodology are demonstrated with successful engineering studies.

Ce manuscrit traite de la conception d’un robot quadrirotor bio-inspiré. Ce robot, nommé QuadMorphing, s’inspire de l’oiseau et possède la capacité de se replier en vol afin de diminuer son envergure. Cette particularité est intéressante pour des problématiques d’évitement d’obstacles dans des milieux encombrés.Le travail présenté ici contient une présentation du robot où la plateforme mécatronique y est décrite en détails. Puis, des résultats expérimentaux sont présentés et commentés afin de quantifier les performances du prototype QuadMorphing durant des scénarios de franchissement d’obstacles.La deuxième partie de cette thèse traite de l’estimation de la taille d’obstacles en vol grâce à une perception visuelle monoculaire. Deux algorithmes d’estimation ont été simulés afin d’être validés pour être ensuite mis en place sur une nouvelle version du robot qui a été testée expérimentalement. Ces estimations permettent par la suite de rendre le robot plus autonome pour éviter les collisions avec son environnement et actionner son système de changement de forme si cela est nécessaire. / This paper describes a bio-inspired quadrotor design. This robot, called QuadMorphing, is inspired by birds and has the ability to fold its mechanical structure to reduce its wingspan during the flight. This feature could be useful for obstacle avoidance task in cluttered environments.The work presented here contains a full description of the mechatronic structure. Then, experimental results are presented and discussed in order to quantify the QuadMorphing performances during obstacle avoidance scenarios.The second part of this thesis deals with estimating obstacle size during flight using monocular visual perception. Two estimation algorithms were simulated in order to be validated and then implemented for experimental testing on a new version of the robot. In order to make the robot autonomous, the estimation of the size of the obstacle allows the robot to avoid collisions with its environment and to perform its morphological reduction if necessary.

Bioinspired robots are becoming more and more common and getting inspired by the solutions found in nature to tackle problems is often useful. Regarding the swimming robots Ąeld of research, we can get inspiration from swimming snakes. In the last twenty years several snake-like swimming robots have been conceived as their slender shape can allow more freedom in movements. It also may be less intrusive in an underwater environment. One problem encountered in swimming snake robots is to stabilize it on water surface and to control the head movement. Due to its shape it is very sensitive to rolling motion. A way to counter this is inspired by the swimming of the cottonmouth snake. By rotating its modules the robot can play on the buoyancy effect and gravity to stay stabilized and this would allow to stabilize the gaze of the robot. For that however we need to be able to locate the head, relatively to the water surface to have an absolute position of each module. The goal of this thesis is to conceive a perception module that would be able to reproduce the senses a cottonmouth snake uses to stabilize itself on the water surface. In order to achieve this an Inertial Measurement Unit is used to reproduce the information a snake gets from its inner ear. Distance sensors imitate the snakeŠs vision and provide an estimate of the distance of the head from the water surface. The perception module should be able to follow the movement of the snake robotŠs head relatively to the water surface. One of the challenges is that this module should be operational speciĄcally on water. To test the performances of the conceived perception module a hardware solution is presented in this thesis to simulate the movements of the robotŠs head above a water tank. This structure allows the perception module to do simple movements such as sinusoidal waves along the z axis or the movements the robot head would do when it is slightly disturbed, according to the simulation of that robot. The results show that the perception module has an accuracy similar to biological systems (the senses of the snake) so we believe that it will be usable to control the robotŠs stability. / Bioinspirerade robotar blir allt vanligare och det är ofta bra att låta sig inspireras av lösningar som Ąnns i naturen för att lösa problem. När det gäller forskningsområdet simulerande robotar kan vi inspireras av simulerande ormar. Under de senaste tjugo åren har Ćera ormliknande simrobotar utformats eftersom deras smala form ger större rörelsefrihet. Den kan också vara mindre påträngande i en undervattensmiljö. Ett problem med simmande ormrobotar är att stabilisera dem på vattenytan och att kontrollera huvudets rörelser. På grund av sin form är den mycket känslig för rullande rörelser. Ett sätt att motverka detta är inspirerat av vattenmockasinets simning: ett projekt vid IMT Atlantique-robotlabbet går ut på att arbeta med kroppens form genom att Ćytta robotens olika moduler. Genom att rotera modulerna kan roboten spela på Ćytkraften och gravitationen för att hålla sig stabil, vilket skulle göra det möjligt att stabilisera robotens blick. För detta måste vi dock kunna lokalisera huvudet i förhållande till vattenytan för att få en absolut position för varje modul. Målet med den här avhandlingen är att utforma en perceptionsmodul som skulle kunna återge de sinnen som ett vattenmockasin använder för att stabilisera sig på vattenytan. För att uppnå detta kommer en tröghetsmätningsenhet att användas för att reproducera den information som en orm får från sitt inneröra. Sedan kommer avståndssensorer att läggas till för att efterlikna ormens syn (eftersom vi behöver en uppskattning av huvudets avstånd från vattenytan). Uppfattningsmodulen bör kunna följa ormarobotens huvudets rörelse i förhållande till vattenytan. En av utmaningarna är att denna modul ska fungera speciĄkt på vatten. För att testa den tänkta uppfattningsmodulens prestanda presenteras i denna avhandling en hårdvarulösning för att simulera robothuvudets rörelser ovanför en vattentank. Denna struktur gör det möjligt för perceptionsmodulen att göra enkla rörelser, t.ex. sinusformade vågor längs z-axeln eller de rörelser som robothuvudet skulle göra när det störs en aning, enligt simuleringen av roboten. Resultaten kan analyseras med en biologisk utgångspunkt. Resultaten visar att perceptionsmodulen har en noggrannhet som liknar biologiska system (ormens sinnen) så vi tror att den kommer att kunna användas för att kontrollera robotens stabilitet.

Les neurones impulsionnels prennent en compte une caractéristique fondamentale des neurones biologiques : la capacité d'encoder l'information sous forme d'événements discrets. Nous nous sommes intéressés à l'apport de ce type de modèles dans le cadre de la vision artificielle, dont les contraintes nous ont orienté vers le choix de modèles simples, adaptés à la rapidité de traitement requise. Nous décrivons une architecture de réseaux pour encoder et extraire des saillances utilisant la discrétisation induite par les neurones impulsionnels. La carte de saillances est obtenue à partir de la combinaison, spatiale et temporelle, de différentes cartes de modalités visuelles (contrastes, orientations et couleurs) à différentes échelles spatiales. Nous proposons une méthode de filtrage neuronal pour construire les cartes de modalité visuelle. Cette méthode réalise le filtrage de façon graduelle : plus le temps de traitement alloué à l'algorithme est important, plus le résultat est proche de celui obtenu avec un filtrage par convolution. L'architecture proposée donne en sortie les saillances triées temporellement dans l'ordre de leur importance. Nous avons placé en aval de cette architecture un autre réseau de neurones impulsionnels, s'inspirant des champs neuronaux, qui permet de sélectionner la zone la plus saillante et de maintenir une activité constante sur cette zone. Les résultats expérimentaux montrent que l'architecture proposée est capable d'extraire des saillances dans une séquence d'images, de sélectionner la saillance la plus importante et de maintenir la focalisation sur cette saillance, même dans un contexte bruité ou quand la saillance se déplace.

Les insectes sont capables de prouesses remarquables lorsqu’il s’agit d’éviter des obstacles,voler en environnement perturbé ou poursuivre une cible. Cela laisse penser que leurs capacités de traitement, aussi minimalistes soient-elles, sont parfaitement optimisées pour le vol. A cela s’ajoute des mécanismes raffinés, comme la stabilisation de la vision par rapport au corps, permettant d’améliorer encore plus leurs capacités de vol.Ces travaux de thèse présentent l’élaboration d’un micro drone de type quadrirotor, qui ressemble fortement à un insecte sur le plan perceptif (vibration rétinienne) et reprend des points structurels clés, tels que le découplage mécanique entre le corps et le système visuel. La conception du quadrirotor (de type open-source), son pilotage automatique et son système occulo-moteur sont minutieusement détaillés.Des traitements adaptés permettent, malgré un très faible nombre de pixels (24 pixels seulement), de poursuivre finement du regard une cible en mouvement. A partir de là, nous avons élaboré des stratégies basées sur le pilotage par le regard, pour stabiliser le robot en vol stationnaire, à l’aplomb d’une cible et asservir sa position ; et ce, en se passant d’une partie des capteurs habituellement utilisés en aéronautique tels que les magnétomètres et les accéléromètres. Le quadrirotor décolle, se déplace et atterrit de façon autonome en utilisant seulement ses gyromètres, son système visuel original mimant l’oeil d’un insecte et une mesure de son altitude. Toutes les expérimentations ont été validées dans une arène de vol, équipée de caméras VICON.Enfin, nous décrivons une nouvelle toolbox qui permet d’exécuter en temps réel des modèles Matlab/Simulink sur des calculateurs Linux embarqués de façon complètement automatisée (http://www.gipsalab.fr/projet/RT-MaG/). Cette solution permet d’écrire les modèles, de les simuler, d’élaborer des lois de contrôle pour enfin, piloter en temps réel, le robot sous l’environnement Simulink. Cela réduit considérablement le "time-to-flight" et offre une grande flexibilité (possibilité de superviser l’ensemble des données de vol, de modifier en temps réel les paramètres des contrôleurs, etc.). / Insects, like hoverflies are able of outstanding performances to avoid obstacles, reject disturbances and hover or track a target with great accuracy. These means that fast sensory motor reflexes are at work, even if they are minimalist, they are perfectly optimized for the flapping flight at insect scale. Additional refined mechanisms, like gaze stabilization relative to the body, allow to increase their flight capacity.In this PhD thesis, we present the design of a quadrotor, which is highly similar to an insect in terms of perception (visual system) and implements a bio-inspired gaze control system through the mechanical decoupling between the body and the visual system. The design of the quadrotor (open-source), itspilot and its decoupled eye are thoroughly detailed. New visual processing algorithms make it possible to faithfully track a moving target, in spite of a very limited number of pixels (only 24 pixels). Using this efficient gaze stabilization, we developed new strategies to stabilize the robot above a target and finely control its position relative to the target. These new strategies do not need classical aeronautic sensors like accelerometers and magnetometers. As a result, the quadrotor is able to take off, move and land automatically using only its embedded rate-gyros, its insect-like eye, and an altitude measurement. All these experiments were validated in a flying arena equipped with a VICON system. Finally, we describe a new toolbox, called RT-MaG toolbox, which generate automatically a real-time standalone application for Linux systems from a Matlab/Simulink model (http://www.gipsalab.fr/projet/RT-MaG/). These make it possible to simulate, design control laws and monitor the robot’s flight in real-time using only Matlab/Simulink. As a result, the "time-to-flight" is considerably reduced and the final application is highly reconfigurable (real-time monitoring, parameter tuning, etc.).

Miesmuscheln inspirieren zur nächsten Generation von wasserbasierten Nassklebstoffen. Muschelfußproteine (mfps) ermöglichen es den Muscheln, sich an jede Oberfläche zu haften und zeigen bemerkenswerte Eigenschaften, die insbesondere durch das Aminosäurederivat 3,4 Dihydroxyphenylalanin (Dopa) verursacht werden. Da der Einfluss von Wasser nach wie vor eine große Herausforderung für Klebeanwendungen darstellt und die Herstellung und Reinigung von Klebeproteinen viel Zeit und Kosten erfordert, ist ein einfacher Zugang zu biomimetischen Klebstoffen von großem Interesse. Die vorliegende Arbeit untersucht einen neuartigen Muschel-inspirierten Polymerisationsansatz zur Herstellung von adhäsiven Proteinanaloga aus Oligopeptiden (Unimeren). Der Polymerisationsmechanismus nutzt einen Reaktionsweg, der in Miesmuscheln auftritt und beruht auf einer enzymatischen Oxidation von Tyrosin zu Dopachinon, das mit freien Thiolen aus Cystein Cysteinyldopa bildet, wodurch Unimere verknüpft und adhäsive Funktionalitäten erzeugt werden. Innerhalb weniger Minuten entstehen hochmolekulare Polymere, die ein vielseitiges Adsorptions- und starkes Adhäsionsverhalten demonstrieren. Die Proteinanaloga weisen eine signifikante Multischicht-Adsorption auf hydrophilen sowie hydrophoben Oberflächen auf und sind resistent gegenüber Spülschritten mit hochkonzentrierten Salz-Lösungen. Die beobachteten Adhäsionsenergien liegen im Bereich von kommerziellen mfp-Extrakten und überschreiten sogar berichtete Werte für isolierte mfps. Die Arbeit präsentiert eine einfache Synthese künstlicher mfp-Analoga, die in der Lage sind Aspekte natürlicher mfps nachzuahmen und potenziell zur Entwicklung von wasserresistenten Universalklebstoffen beitragen. Um die Bedingungen für eine kostengünstige, großtechnische Produktion zu verbessern, werden zusätzlich alternative Synthesewege für die enzymfreie Herstellung Muschel-inspirierter Polymere untersucht, die auf der chemischen Oxidation von Dopa-haltigen Unimeren beruhen. / Marine mussels provide inspiration for the next generation of water-based, wet adhesives. Mussel foot proteins (mfps) enable them to attach to any surface and exhibit remarkable properties, notably due to the amino acid derivative 3,4-dihydroxyphenylalanine (Dopa). Since the influence of water still constitutes a major challenge for gluing applications and large-scale production and purification of adhesive proteins is time-consuming and costly, an easy access route toward biomimetic adhesives is of high interest. This thesis investigates a novel mussel-inspired polymerization approach for the production of adhesive protein analogues from oligopeptides (unimers). The polymerization mechanism exploits a distinct reaction pathway, occurring in mussels and relies on enzyme-mediated oxidation of tyrosine to Dopaquinone in the unimers, which forms cysteinyldopa with free thiols from cysteine, thereby linking unimers and generating adhesive moieties. Within a few minutes high molecular weight polymers are obtained that show versatile adsorption and strong adhesion behaviour. The protein analogues exhibit significant multilayer adsorption onto hydrophilic as well as hydrophobic surfaces and resist rinsing with highly saline solutions. Comparative adhesion studies on silica reveal adhesion energies that are in the same range as commercial mussel foot protein extracts and even exceed reported values for isolated foot proteins that constitute the gluing interfaces. The approach offers facile access toward artificial mussel foot proteins that are capable of mimicking aspects of the natural ideal and potentially helps to develop next-generation universal water resistant glues. In order to further improve the conditions regarding cost-efficient and large-scale production in the future, alternative synthesis routes for the enzyme-free generation of mussel-inspired polymers based on chemical oxidation of Dopa containing unimers are additionally explored.