La « surface », dans les systèmes interactifs tactiles est à la fois le support du toucher et de l’image. Alors qu’au fil du temps les surfaces tactiles se sont transformées dans leur épaisseur, forme et rigidité, la modalité d’interaction se limite, comme sur les premiers dispositifs, à une mise en contact simple du doigt avec l’écran dans un geste qui feint de manipuler ce qui est affiché. Le sens du toucher, même pour des dispositifs tactiles installés dans des systèmes critiques comme dans l’aéronautique ou l’automobile, reste essentiellement sollicité en tant que prolongement de la vision, pour pointer et contrôler. Alors que les théories de la phénoménologie de la perception, de la perception écologique et des interactions tangibles et incarnées reconnaissent l’importance du corps, de la motricité et des interactions avec l’environnement dans les phénomènes perceptifs, il paraît réducteur de continuer à considérer la vision comme sens premier et principal de l’interaction tactile.Nous pensons que la transformation de la forme physique de l’interface tactile est un moyen efficace pour réincarner l’espace d’interaction tactile en utilisant mieux les capacités motrices des utilisateurs ainsi que leurs habiletés à négocier, manipuler et s’orienter dans leur environnement. A partir d’une caractérisation des risques potentiels du développement des interactions tactiles dans le contexte d’un cockpit d’avion de ligne (augmentation de la charge cognitive, sur-sollicitation du canal visuel, altération de la conscience de la situation, etc.), nous explorons les apports d’une interface tactile à changement de forme pour améliorer la collaboration pilotes-système au travers de la conception, la fabrication et l’évaluation de trois prototypes fonctionnels. Avec l’étude qualitative et quantitative du prototype GazeForm, nous montrons que le changement de forme d’une surface tactile en fonction de la position du regard permet de diminuer la charge de travail, améliorer la performance, réduire les mouvements oculaires et améliorer la distribution de l’attention visuelle comparativement à un écran tactile classique. Par l’élaboration du concept Multi-plié nous mettons en évidence les dimensions et propriétés de la transformation par pliure d’une surface d’affichage interactive. Avec les évaluations qualitatives des deux dispositifs illustrant le concept, le premier présentant une série d’écrans tactiles articulés et le deuxième une surface d'affichage tactile « plissable », nous démontrons qu’une surface tactile continue pliable offre un support pertinent à l'interaction incarnée et permet d’augmenter la sensation de contrôle pour la gestion d’un système critique. Enfin, pour généraliser la connaissance produite à d’autres contextes d’usages avec une forte division de l’attention visuelle (conduite automobile, salle de contrôle, appareil tactile portable en mobilité) nous proposons un espace de conception pour les interfaces tactiles reconfigurables. / The "surface" in interactive touch systems is both the support of touch and image. While over time touch surfaces have been transformed in their thicknesses, shapes and stiffness, the interaction modality is limited, as on the first devices, to a simple contact of the finger with the screen in a gesture that pretends to manipulate what is displayed. The sense of touch, even for touch devices installed in critical systems, such as in the aeronautics or automotive industries, remains mainly used as an extension of vision, to point and control. While the theories of the phenomenology of perception, ecological perception and tangible and embodied interactions recognize the importance of the body, motor skills and interactions with the environment in perceptual phenomena, it seems simplistic to consider vision as the first and main sense of touch interaction. We believe that transforming the physical form of the touch interface is an effective way to reincarnate the space of touch interaction by making better use of users' motor skills and their ability to negotiate, manipulate and orient themselves in their environment. Based on a characterization of the potential risks of developing touch interactions in the context of an airliner cockpit (increase in cognitive load, overload of the visual channel, alteration of situational awareness, etc.), we explore, through the design, manufacture and evaluation of three functional prototypes, the contributions of a touch interface with shape change to improve pilotes-system collaboration. With the qualitative and quantitative study of the GazeForm prototype, we show that changing the shape of a touch surface according to the position of the gaze makes it possible, compared to a conventional touch screen, to reduce the workload, improve performance, reduce eye movements and improve the distribution of visual attention. By qualitative evaluation of the two Multi-plié devices, the first with a series of articulated touch screens and the second with a "pleatable" touch display surface, we show that a transformable touch surface stabilizes touch action, promotes collaboration and improves situational awareness. In addition to these contributions, we find that changing the shape of the touch interaction surface increases the feeling and level of control for the management of a critical system. Finally, to generalize the knowledge produced to other contexts of use with a strong division of visual attention (driving, control room, portable touch device in mobility) we propose a design space for reconfigurable touch interfaces.

La nature fournit une source d'inspiration intarissable pour les ingénieurs, soit en exhibant de nouvelles solutions à des problèmes d'ingénierie existants ou en les mettant au défi de développer des systèmes possédant de nouvelles fonctionnalités. Les progrès récents dans la caractérisation et la modélisation des systèmes naturels révèlent de nouveaux principes de conception, qui peuvent être de plus en plus imité par les ingénieurs grâce aux progrès dans la production et la modélisation de matériaux synthétiques. Dans cette thèse, nous sommes inspirés par des actuateurs biologiques (par exemple la pomme de pin) qui changent de forme en présence d'un stimulus externe variable en raison de leur architecture matérielle. Notre objectif est d'explorer l'espace de conception du morphing d'objets solides contrôlées par une distribution imposée des déformations inélastiques (eigenstrain). Nous nous concentrons sur des objets allongés ou minces pour lesquels une dimension est soit prédominante ou négligeable devant les deux autres (tiges et feuilles) et nous nous limitons au cadre de l'élasticité linéaire. Les motifs de changement de forme correspondent généralement à de grandes transformations, ce qui requiert de considérer une dépendance non-linéaire entre les déformations et les déplacements. L'utilisation de méthodes numériques permet de prédire ces motifs de morphing. Nous avons examiné la relaxation de ressorts, la minimisation d'énergie et les éléments finis. Ces motifs ont également été illustrés à l'aide des méthodes expérimentales telles que la pré-déformation, la dilatation thermique et le gonflement. Dans le contexte des tiges, deux morphers fondamentaux sont étudiés qui démontre la flexion et la torsion: flexeurs et torseurs. L'architecture d'eigenstrain standard du bilame à symétrie miroir peut être lissée afin de réduire la contrainte interfaciale d'un flexeur et modifiée afin de produire des flexeurs à gradient longitudinal ou hélicoïdaux. En assemblant des flexeurs en forme de nid d'abeille, la déflection relativement petite est amplifiée géométriquement et produit de relativement grands déplacements. Des simulations aux éléments finis démontre que l'architecture d'eigenstrain à symétrie de révolution proposée pour les torseurs induit une instabilité extension-torsion, laquelle est analysée en utilisant une approche énergétique. De même que pour les flexeurs, la torsion peut être variée longitudinalement en introduisant un gradient de propriétés le long du torseur. En combinant flexeurs et torseurs, une configuration arbitraire d'une tige peut être obtenue. Dans le contexte de feuilles, nous nous concentrons sur le morphing contrôlé par la diffusion, où l'eigenstrain est appliquée progressivement au lieu de instantanément, motivé par des résultats expérimentaux sur de bi-couches en polymères qui gonflent différemment en fonction de la température. Cela démontre l'enroulement selon le long côté de formes rectangulaires (au lieu de roulement côté court des flexeurs) et révèle un processus de morphing complexe en plusieurs étapes dans le cas de formes étoilés, où les bords rides et s'enroulent et l'étoile initialement plate prend un configuration trois-dimensionnelle (par exemple pyramidale). Grâce aux progrès récents dans la conception de nouveaux matériaux, les morphers présentés dans cette thèse peuvent être utilisés dans une pluralité de domaines, y compris la conception de structures macroscopiques en Architecture. / Nature provides an unlimited source of inspiration for engineers, either by exhibiting new solutions to existing problems or by challenging them to develop systems displaying new functionalities. Recent advances in the characterization and modeling of natural systems reveal new design principles, which can be increasingly mimicked by engineers thanks to the progress in the production and modeling of man-made materials. In this thesis, we are inspired by biological actuators (for example the pine cone) which change their shape under an external fluctuating stimulus as a result of their material architecture. Our goal is to explore the design space of the morphing of solid objects controlled by an imposed distribution of inelastic strain (eigenstrain). We focus on elongated and thin objects where one dimension is either much bigger or much smaller than the other two (rods and sheets) and restrict ourselves to the framework of linear elasticity. Patterns of shape change are usually induced by large transformations, which requires considering a nonlinear dependency between strain and displacements. This requires the use of numerical methods in order to predict the morphing patterns. We looked at relaxation of springs, energy minimization and finite-elements. These patterns were also illustrated using experimental methods such as pre-straining, thermal expansion and swelling. In the context of rod-like objects, two fundamental morphers are studied displaying bending and twisting respectively: benders and twisters. The standard mirror-symmetric bilayer eigenstrain architecture of benders can be smoothened in order to lower interfacial stress and modified in order to produce longitudinally graded or helical benders. By stacking benders in a honey-comb like manner, the relatively small mid-deflection of benders is geometrically amplified and produces relatively large displacements. According to finite-element simulations, the proposed rotationally-symmetric eigenstrain architecture of twisters displays a stretching-twisting instability, which is analyzed using energetical arguments. Similarly to benders, twisting can be varied along the longitudinal direction by grading the material properties along the twister. By combining benders and twisters, an arbitrary configuration of a rod can be obtained. In the context of sheets, we focus on diffusion-driven morphing, where the eigenstrain is applied progressively instead of instantaneously as motivated by experiments on thermo-responsive polymer bilayers. This leads to long-side rolling of rectangular shapes (instead of the standard short-side rolling of benders) and reveals a complex multi-step morphing process in the case of star shapes, where the edges wrinkle and bend and the initially flat star eventually folds into a three-dimensional structure (for example a pyramid). With the progress in designing new materials, the morphers presented in this thesis could be used in different fields, including the design of macroscopic structures for Architecture.

L’IRM de diffusion (IRMd) est une modalité d’imagerie médicale in vivo qui suscite un intérêt croissant dans la communauté de neuro-imagerie. L’information sur l’intra-structure des tissus cérébraux est apportée en complément des informations de structure issues de l’IRM structurelle (IRMs). Ces modalités d’imagerie ouvrent ainsi une nouvelle voie pour l’analyse de population et notamment pour l’étude de la maturation cérébrale humaine normale in utero. La modélisation et la caractérisation des changements rapides intervenant au cours de la maturation cérébrale est un défi actuel. Dans ce but, ce mémoire de thèse présente une chaîne de traitement complète de la modélisation spatio-temporelle de la population à l’analyse des changements de forme au cours du temps. Les contributions se répartissent sur trois points. Tout d’abord, l’utilisation de filtre à particules étendus aux modèles d’ordre supérieurs pour la tractographie a permis d’extraire des descripteurs plus pertinents chez le foetus, utilisés ensuite pour estimer les transformations géométriques entre images. Ensuite, l’emploi d’une technique de régression non-paramétrique a permis de modéliser l’évolution temporelle moyenne du cerveau foetal sans imposer d’à priori. Enfin, les changements de forme sont mis en évidence au moyen de méthodes d’extraction et de sélection de caractéristiques. / Diffusion weighted MRI (dMRI) is an in vivo imaging modality which raises a great interest in the neuro-imaging community. The intra-structural information of cerebral tissues is provided in addition to the morphological information from structural MRI (sMRI). These imaging modalities bring a new path for population studies, especially for the study in utero of the normal humanbrain maturation. The modeling and the characterization of rapid changes in the brain maturation is an actual challenge. For these purposes, this thesis memoir present a complete processing pipeline from the spatio-temporal modeling of the population to the changes analyze against the time. The contributions are about three points. First, the use of high order diffusion models within a particle filtering framework allows to extract more relevant descriptors of the fetal brain, which are then used for image registration. Then, a non-parametric regression technique was used to model the temporal mean evolution of the fetal brain without enforce a prior knowledge. Finally, the shape changes are highlighted using features extraction and selection methods.

Au milieu des espaces collectifs et publics, les afficheurs cylindriques informent les utilisateurs autour d'eux. Nous questionnons l'utilité et l'utilisabilité de la symétrie dynamique de révolution pour les afficheurs cylindriques à changement de forme. Nous présentons CairnFORM, un prototype d'afficheur cylindrique capable de changer de symétrie de révolution à l'aide d'une pile modulaire d'anneaux extensibles illuminés. Nous montrons que la symétrie de révolution est utilisable pour informer les utilisateurs par physicalisation des données : nous observons avec un CairnFORM à 10 anneaux qu'un histogramme à anneaux physiques est plus efficace pour une tâche d'intervalle et une tâche de comparaison plutôt que pour une tâche d'ordonnancement. Nous montrons que le changement de symétrie de révolution est utilisable pour notifier sans déranger les utilisateurs par interaction périphérique : nous observons avec un CairnFORM à 1 anneau que le changement de diamètre d'un anneau avec une vitesse exponentielle est perçu plus souvent et plus calmement en périphérie de l'attention plutôt qu'avec une vitesse constante ou logarithmique. Nous montrons que les afficheurs cylindriques à symétrie dynamique de révolution offrent une expérience utilisateur sur la durée supérieure aux afficheurs planaires : après deux mois en contexte d'usage sur un lieu de travail, nous observons que CairnFORM est aussi pragmatique mais plus hédonique qu'un écran plat. Nous étudions un cas d'usage pour les afficheurs sur le lieu de travail, c'est-à-dire aider les employés à décaler le chargement de batterie des ordinateurs portables vers les heures de pic de production locale d'énergie renouvelable. / In the middle of public and collective spaces, cylindrical displays inform users around them.We question the utility and the usability of dynamic revolution symmetry for shape-changing cylindrical displays. We present CairnFORM, a prototype of cylindrical display that can change its revolution symmetry using a modular stack of expandable illuminated rings.We show that revolution symmetry is usable for informing users through data physicalization: We observe with a 10-ring CairnFORM that a physical ring chart is more efficient for a range task and for a compare task rather than for an order task. We show that revolution symmetry change is usable for unobtrusively notifying users through peripheral interaction: We observe with a 1-ring CairnFORM that a ring diameter change with exponential speed is perceived more often and calmer in the periphery of attention rather than with a constant speed or a logarithmic speed.We show that cylindrical displays with dynamic revolution symmetry offer a greater user experience over time than planar displays: After two months in context of use in a workplace, we observe that CairnFORM is as pragmatic as a flat screen but more hedonic than a flat screen. We study a use case for displays in the workplace: Helping employees to shift laptop battery charge to peak hours of local renewable energy production.