Ce travail est réalisé dans le cadre de deux projets nationaux français "Robot Anguille" (ROBEA 2003-2006) et "RAAMO" (ANR 2007-2010). L'objectif de ces projets est la conception, la réalisation et la commande d'un robot anguille télé-opéré puis autonome capable de nager en 3 dimensions. La thèse porte sur la partie conception des lois de commande assurant la nage 3D du robot. Des schémas de commande sont proposés avec et sans utilisation de nageoires pectorales. Ces lois, contrôlant la nage du robot, ont été validées sur un modèle 3D complet développé dans le cadre du projet. Un environnement virtuel pour la simulation de la commande est développé, dans lequel un opérateur contrôle les mouvements 3D du modèle simulé à l'aide d'un "joystick". Un modèle réduit moyen, pouvant être utilisé dans un schéma de commande avancée, est identifié sur la base du modèle complet. Une approche de commande multi-variable sous contraintes est proposée sur la base du modèle réduit pour assurer aussi la nage 3D du robot. Le modèle réduit et la commande associée sont utilisés dans un schéma de commande de type prédictif pour assurer la navigation autonome du robot dans un environnement avec des obstacles dynamiques. Quelques expériences sont réalisées en boucle ouverte sur la moitié existante du prototype (6 vertèbres sur les 12 prévues).

La bio-inspiration applique des principes et des stratégies issus de systèmes biologiques afin de faciliter la conception technologique. Doté d’un fort potentiel pour l’Innovation, la biomimétique, son pendant méthodologique, est en passe d’évoluer vers un processus clé pour les entreprises. Un certain nombre de freins demeurent cependant à lever afin que la conception bio-inspirée s’apparente à une démarche robuste et répétable. Les travaux réalisés abordent cette diffusion de la conception bio-inspirée selon deux axes distincts. Ils s’efforcent tout d’abord d’harmoniser champs conceptuels relatifs à la bio-inspiration et modèles de processus biomimétiques, en vue de rendre possible l’évaluation des outils supportant cette démarche de conception. Cette évaluation méthodologique, couverte selon l’angle objectif et subjectif, aboutit à la formalisation d’un modèle structurant, un arbre de classification, à même de guider les concepteurs biomimétiques à travers le processus biomimétique. En parallèle de l’établissement de ce cadre de référence méthodologique, les travaux s’évertuent à explorer un autre verrou inhérent à la démarche : l’interaction entre biologie et ingénierie. Les travaux tendent ainsi, par le développement d’un outil, à réduire l’une des barrières d’entrée de ce type d’approche, en proposant un modèle décrivant fonctionnellement les systèmes biologiques sans prérequis d’expertise biologique. La concaténation de ces réalisations aborde directement l’enjeu principal de ce champs disciplinaire : son essor par la dissémination de son application à l’innovation industrielle, en vue de favoriser l’émergence de « produits biomimétiques » au détriment des « accidents bio-inspirées ». / Biomimetics applies principles and strategies which stem from biological systems in order to facilitate technological design. Providing a high innovation potential, biomimetics could become a key process for various business. However, there are still a few challenges to overcome in order for the bioinspired design to become a sustainable approach. The work which has been carried out addresses this bioinspired design diffusion with two distinct focuses. First of all, they tend to standardize conceptual fields for bio-inspiration and biomimetic process models to enable the evaluation of tools supporting said design process. This methodological assessment, addressed from an objective and subjective point of view, results in the formalization of a structuring model, a classification tree which guides designers through the biomimetic process. Alongside the development of this methodological reference framework establishment, the work tends to overcome another obstacle of the bioinspired design implementation which is the interaction between biology and engineering. By developing a specific tool, the research studies offer a model which functionally describes biological systems without biological expertise prerequisites. The concatenation of these accomplishments addresses the main issue of these disciplinary fields: its development through the dissemination of its application to industrial innovation, in order to encourage the emergence of “biomimetic products” at the expense of “bio-inspired accidents”.

L'actine est une protéine très abondante dans les cellules eucaryotes, c'est un biopolymère qui s'assemble en filaments semiflexibles. La cellule contrôle au travers de protéines spécifiques (Actin Binding Proteins) la dynamique d'assemblage (et de désassemblage) des filaments d'actine, ainsi que l'arrangement de ces filaments en réseaux tridimensionnels. Les réseaux ainsi formés peuvent avoir des structures très variées, allant d'un arrangement en forme de câble où les filaments d'actine sont parallèles entre eux, jusqu'à une structure plus désordonnée en gel dans laquelle les filaments forment un réseau très interconnecté. Ces diverses organisations de l'actine lui permettent de jouer des rôles très divers au sein de la cellule. Parmi ces roles, l'un des plus remarquable est celui qu'elle tient dans la genèse de la morphologie de la cellule. En effet, aux bords de la membrane cellulaire, un réseau d'actine forme une partie du cytosquelette de la cellule et contribue à ce titre au maintient de sa forme. Pour se mettre en mouvement, la cellule doit acquérir une polarité, cela nécessite des restructurations importantes du cytosquelette. Au niveau de la membrane cellulaire, des protéines activent localement la polymérisation de l'actine, ce qui va contribuer à la déformation de la membrane et ainsi au mouvement de la cellule. Nous nous sommes intéressés au cours de cette thèse aux contraintes mécaniques qu'un gel d'actine peut produire. Pour cela nous avons mis au point un système biomimétique constitué d'une goutte d'huile microscopique dont on recouvre la surface avec une protéine qui active la polymérisation de l'actine, comme celles que l'on trouve au niveau de la membrane cellulaire. Lorsque l'on met une telle goutte dans des extraits cellulaires, on observe la croissance d'un gel d'actine autour de la goutte. L'actine finie par former une comète qui propulse la goutte. L'aspect "mou" de la goutte d'huile fait que cette dernière se déforme sous l'action des contraintes qu'exerce le gel l'actine et prend une forme en poire. L'observation de la déformation de la goutte nous renseigne sur l'amplitude et la répartition des contraintes développées par l'actine. Un second aspect de notre travail fut de modifier les propriétés élastiques du gel d'actine formé. Pour ce faire, nous avons ajouté dans les extraits cellulaires une protéine qui réticule les filaments d'actines entre eux. Les résultats que nous avons obtenus sont présentés dans ce manuscrit.