Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

<p> This thesis explores and clarifies Hannah Arendt' s conception of evil and its impact on her political theory. While following Arendt' s reflections on evil over the course of her career-from The Origins of Totalitarianism through Eichmann in Jerusalem and The Life of the Mind-I make the argument that the common thread in her apparently divergent accounts is a certain understanding of evil's negative ontology. I then demonstrate that Arendt's alternative "ontology of appearances" results in an account of "conscience" that prevents action based on cognitive certainty, and thus, evil. In the third chapter, I suggest that Arendt' s political theory, with its opposition to biological "life," is a direct response to totalitarianism's emphasis on animality and its de-emphasis on appearance. I claim furthermore that the difficulties of Arendt' s political thought (particularly her vacuous account of freedom and its troubling connection to immortality) are best explained in relation to her account of evil. On this point I suggest critically that her notion of political freedom is paralyzing or preventative in a way that resonates with her account of conscience. Finally, I propose that in seeking to articulate the meaning of immortalizing action, Arendt might have instead elucidated the difference between a totalitarian perversion of human desire, where desires become cognitive prescriptions, and a Platonic notion of properly erotic desire, where action manifests a desiring orientation to an independent object, but in a decisively non-totalitarian fashion.</p> / Thesis / Master of Arts (MA)

Le fonctionnement du cerveau humain est fascinant. En seulement quelques millisecondes, des milliards de neurones synchronisés perçoivent, traitent et redirigent les informations permettant le contrôle de notre corps, de nos sentiments et de nos pensées. Malheureusement, notre compréhension du cerveau reste limitée et de multiples questions physiologiques demeurent. Comment sont exactement reliés le fonctionnement neuronal et le comportement humain ? L’imagerie de l’activité neuronale au moyen de systèmes miniatures est l’une des voies les plus prometteuses permettant d’étudier le cerveau des animaux se déplaçant librement. Cependant, le développement de ces outils n’est pas évident et de multiples compromis techniques doivent être faits pour arriver à des systèmes suffisamment petits et légers. Les outils actuels ont donc souvent des limitations concernant leurs caractéristiques physiques et optiques. L’un des problèmes majeur est le manque d’une lentille miniature électriquement réglable et à faible consommation d’énergie permettant l’imagerie avec un balayage en profondeur. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau type de dispositif d’imagerie miniature qui présente de multiples avantages mécaniques, électriques et optiques par rapport aux systèmes existants. Le faible poids, la petite dimension, la capacité de moduler électriquement la distance focale à l’aide d’une lentille à cristaux liquides (CL) et la capacité d’imager des structures fines sont au cœur des innovations proposées. Dans un premier temps, nous présenterons nos travaux (théoriques et expérimentaux) de conception, assemblage et optimisation de la lentille à CL accordable (TLCL, pour tunable liquid crystal lens). Deuxièmement, nous présenterons la preuve de concept macroscopique du couplage optique entre la TLCL et la lentille à gradient d’indice (GRIN, pour gradient index) en forme d’une tige. Utilisant le même système, nous démontrerons la capacité de balayage en profondeur dans le cerveau des animaux anesthésiés. Troisièmement, nous montrerons un dispositif d’imagerie (2D) miniature avec de nouvelles caractéristiques mécaniques et optiques permettant d’imager de fines structures neuronales dans des tranches de tissus cérébraux fixes. Enfin, nous présenterons le dispositif miniaturisé, avec une TLCL intégrée. Grâce à notre système, nous obtenons ≈ 100 µm d’ajustement électrique de la profondeur d’imagerie qui permet d’enregistrer l’activité de fines structures neuronales lors des différents comportements (toilettage, marche, etc.) de la souris. / The functioning of the human brain is fascinating. In only a few milliseconds, billions of finely tuned and synchronized neurons perceive, process and exit the information that drives our body, our feelings and our thoughts. Unfortunately, our understating of the brain is limited and multiple physiological questions remain. How exactly are related neural functioning and human behavior ? The imaging of the neuronal activity by means of miniaturized systems is one of the most promising avenues allowing to study the brain of the freely moving subjects. However, the development of these tools is not obvious and multiple technical trade-offs must be made to build a system that is sufficiently small and light. Therefore, the available tools have different limitations regarding their physical and optical characteristics. One of the major problems is the lack of an electrically adjustable and energy-efficient miniature lens allowing to scan in depth. In this thesis, we propose a new type of miniature imaging device that has multiple mechanical, electrical and optical advantages over existing systems. The low weight, the small size, the ability to electrically modulate the focal distance using a liquid crystal (LC) lens and the ability to image fine structures are among the proposed innovations. First, we present our work (theoretical and experimental) of design, assembling and optimization of the tunable LC lens (TLCL). Second, we present the macroscopic proof-of-concept optical coupling between the TLCL and the gradient index lens (GRIN) in the form of a rod. Using the same system, we demonstrate the depth scanning ability in the brain of anaesthetized animals. Third, we show a miniature (2D) imaging device with new mechanical and optical features allowing to image fine neural structures in fixed brain tissue slices. Finally, we present a state-of-the-art miniaturized device with an integrated TLCL. Using our system, we obtain a ≈ 100 µm electrical depth adjustment that allows to record the activity of fine neuronal structures during the various behaviours (grooming, walking, etc.) of the mouse.

Ce mémoire présente la démarche de conception d’un générateur d’inertie à trois degrés de liberté. Un tel dispositif, conçu pour être tenu en main, utilise une ou plusieurs masses au sein d’un bâti, qui sont réorientées afin d’induire des couples à un utilisateur. Ceci influence l’effort requis par l’utilisateur et modifie sa perception de l’inertie déplacée. Pour y parvenir, un modèle réduit à un degré de liberté est élaboré puis implémenté dans un prototype. Avec une commande en couple, un rendu haptique plus que satisfaisant est obtenu, permettant des inerties jusqu’à 10 fois l’inertie intrinsèque. Par la suite, cinq concepts de générateurs à trois degrés de liberté sont modélisés et simulés. Trois de ceux-ci s’avèrent impossible ou complexes à mettre en oeuvre, laissant deux possibilités : utiliser trois roues d’inertie, ou réaliser un gyroscope à deux axes avec une roue d’inertie centrale. En simulation, le second offre une plus grande efficacité au niveau des requis des moteurs et surtout au niveau de la masse. Il est donc sélectionné pour le développement d’un prototype. Les différentes sections du modèle CAO, les instruments de mesure, et le modèle de contrôle en temps-réel sont détaillés. Avec toutes ces composantes fonctionnelles, des résultats intermédiaires sont obtenus. Le modèle dynamique est d’abord validé comme étant précis à l’aide de capteurs d’efforts, puis il est vérifié que le dispositif est en mesure de suivre des consignes de couple. Enfin la commande de génération d’inertie est implémentée. Des problèmes surviennent comme la limitation des mouvements par les câbles d’alimentation et l’instabilité inhérente du gyroscope. Ils empêchent d’utiliser l’appareil comme prévu, soit avec une roue tournant à haute vitesse. En démarrant le dispositif à 0 RPM, il réussit à simuler des inerties entre 0.5 fois et 1.5 fois son inertie intrinsèque. Ces variations sont de bonne qualité au niveau haptique, et sont suffisantes pour ressentir l’effet du dispositif. Enfin, pour améliorer ses capacités, il est suggéré de retourner vers le concept à trois roues d’inertie. / This thesis presents the synthesis and design of a three-degree-of-freedom inertia generator. Such a device, intended as a hand-held apparatus, uses one or many masses within a frame which are accelerated in order to render torques to a user. This influences the effort required by the user to move the device, and modifies their perception of its inertia. To achieve this, a simplified one-degree-of-freedom model is first elaborated and implemented in a prototype. With a torque command, a satisfying haptic rendering is obtained, capable of rendering nearly 10 times the intrinsic inertia of the device. Then, five three-degree-of-freedom torque generation concepts are modelled. Three of those are impossible or too complex to implement, leaving only two options : using three orthogonal flywheels, or using a double gimbal gyroscope with one central flywheel. When compared in simulations, the gyroscope concept offers a better efficiency in terms of mass and motor capabilities. As such, it is selected for the prototype. Then, details are given on the various components of the CAD model, the measuring tools, and the real-time model used for the control. Using these, a series of results are obtained. The dynamic model is first validated as accurate using force/torque sensors. Then the device’s ability to produce torque profiles is confirmed. Finally, its inertia generation capabilities are tested. Problems arise due to movement limitations from the power cables and the instability inherent to the gyroscope. They prevent the device to be used as intended, i.e., with the flywheel initially rotating with a large velocity. Instead, by setting it initially at 0 RPM, the device is able to render inertias equivalent to 0.5 to 1.5 its intrinsic inertia. The haptic quality of these renderings is very good, and they are sufficient to demonstrate the validity of the concept as a whole. Finally, to improve the capabilities of the device, it is suggested to use the three flywheels concept instead. .

De nos jours, la conception parasismique des structures en acier repose sur la dissipation d'énergie sismique par l'action de grandes déformations plastiques. Les cadres à diagonales ductiles confinées sont un type de système à contreventements concentriques caractérisé par des membrures qui plastifient autant en traction qu'en compression. Grâce à un mécanisme de restreinte latérale qui renferme un noyau métallique, les diagonales ductiles confinées (DDC) tirent avantage de la ductilité cyclique du matériau. Cependant, les DDC affichent fréquemment une faible rigidité après plastification, causant ainsi d'importantes déformations latérales durant un séisme. De plus, la plastification du noyau est généralement associée à un seul objectif de performance; son comportement sous d'autres intensités sismiques est donc essentiellement inconnu. Les DDC hybrides sont étudiées en tant qu'alternative aux systèmes traditionnels pour pallier leurs limitations. Le concept d'hybridité vise à maîtriser différentes caractéristiques de métaux minutieusement sélectionnés pour obtenir une réponse souhaitable. Cette étude numérique comporte trois objectifs. Les matériaux de noyaux potentiels sont d'abord évalués afin de déterminer les meilleures combinaisons de deux métaux avec des propriétés mécaniques complémentaires. L'analyse de données expérimentales indique que le comportement plastique des DDC hybrides est amélioré par l'emploi d'un acier au carbone 350WT conjointement avec un autre métal qui possède une faible limite élastique et une grande capacité d'écrouissage (p. ex. l'acier inoxydable 304L, l'alliage d'aluminium 5083-O, l'acier au carbone A36, ou l'acier LYP-100). Par la suite, deux nouvelles configurations de DDC hybrides sont conçues afin d'accueillir trois noyaux ductiles connectés en parallèle. La première option proposée comprend un mécanisme de restreinte fait de tubes en acier remplis de béton, tandis que la deuxième option est fabriquée exclusivement à partir de composantes métalliques. Finalement, plusieurs simulations par la méthode des éléments finis sont réalisées sur des modèles numériques pour valider quantitativement l'accroissement de la performance. Comparées aux DDC conventionnelles, les DDC hybrides présentent une réponse d'écrouissage améliorée, une légère augmentation de la rigidité axiale, ainsi qu'une plus grande capacité à dissiper l'énergie. / Contemporary seismic-resistant design of steel structures relies on the dissipation of earthquake energy through significant inelastic deformations. Buckling-restrained braced frames (BRBFs) are a type of concentrically-braced system characterized by braces that yield both in tension and in compression. Thanks to a restraining mechanism that confines a ductile steel core, buckling-restrained braces (BRBs) can take advantage of the cyclic ductility of the steel material. However, BRBs commonly display a low post-yield stiffness, causing substantial interstory drifts and large residual drifts after seismic events. Moreover, yielding of the core is often tied to only a single performance objective, thus making its response at other levels of seismicity largely unpredictable. Hybrid BRB solutions are explored as an alternative to the traditional BRB system to overcome its limitations. The hybrid concept is hinged on harnessing different characteristics from different materials that are carefully combined into one ductile design to achieve a desirable response. This numerical study has three main objectives. Potential core metals are first evaluated to determine the best combinations of two materials with complementary engineering properties. Analysis of experimental data indicates that the post-yield behavior of hybrid BRBs is improved by employing 350WT carbon steel in conjunction with another metal, which possesses a low-yield and high-strain-hardening capacity (e.g., 304L stainless steel, 5083-O aluminum alloy, A36 carbon steel, or LYP-100 low-yield-point steel). Afterwards, two new hybrid BRB systems are designed to accommodate the complex deformation pattern of three core plates connected in parallel. The first proposed option has a restraining mechanism made from concrete-filled steel tubes, while the second hybrid BRB option is fabricated exclusively from metal plate components. Lastly, multiple finite element simulations are carried out on numerical models to quantitatively validate the performance enhancement. Compared to conventional BRBs, hybrid BRBs exhibit an improved strain hardening response, a slight increase in axial stiffness, and a greater energy dissipation capability for an equivalent brace strength.

De nos jours, le seul procédé industriellement applicable pour la production de l’aluminium est connu sous le nom du procédé de Hall-Héroult. Le procédé utilise essentiellement des matériaux à base de carbone comme électrodes (anode et cathode). La productivité et l’efficacité énergétique du procédé sont étroitement liées à la qualité de l’anode (uniformité et stabilité des propriétés requises). Dans ce projet, nous avons étudié différents paramètres pouvant influencer l’uniformité des propriétés finales des anodes lors de leur cuisson principalement par la détermination de la résistivité électrique. Le processus de cuisson est la dernière étape du procédé de fabrication des anodes. Il s’agit d’une étape très critique, car c’est ici que les anodes subissent les plus importantes transformations microstructurales leur conférant les propriétés requises à leur utilisation dans le procédé de Hall-Héroult. Pendant la cuisson, les anodes sont empilées dans un four et cuites suivant des profils de température prédéfinis. Cela entraine la génération de contraintes mécaniques dans les anodes, causées par l’empilement, combinées aux transformations thermochimiques, causées par le processus de cuisson. La conséquence de ce phénomène peut mener à une anisotropie au niveau des propriétés des anodes. L’hypothèse est que lors de la cuisson, les anodes supérieures peuvent générer des pressions externes sur les anodes inférieures, provoquant ainsi le réarrangement des particules de coke dans la structure interne de l’anode. Ce changement pourrait mener à la réduction de la distance entre les particules affectant possiblement la résistivité électrique. Dans ce travail, la variation de la résistivité électrique d’une série d'anodes industrielles en fonction de leur position dans les fours de cuisson a été examinée dans un premier temps. Ensuite, à travers des travaux expérimentaux, menés en laboratoire, des échantillons d'anodes ont été fabriqués et cuits sous différentes pressions externes. Enfin, leur résistivité électrique a été déterminée afin d’établir une relation entre la force mécanique appliquée et la résistivité électrique. / Nowadays, the only industrially applicable process to produce aluminum is known as the Hall-Héroult process. The process essentially uses carbon-based materials as electrodes (anodes and cathodes). The productivity and energy efficiency of the process is closely linked to the quality of the anodes (uniformity and properties variations). In this project, we studied different parameters that could influence the uniformity of the anode final properties by mainly determining their electrical resistivity. The baking process is the last step in the anode manufacturing process. This is a very critical step while the anodes undergo the most significant microstructural transformations giving them the properties required for their use in the Hall-Héroult process. During baking, the anodes are stacked in the furnace and baked according to predefined temperature profiles leading to the generation of mechanical stresses, due to stacking, combined with thermochemical transformations, due to the baking process. The consequence of this phenomena can lead to anisotropy in terms of anode internal properties. The hypothesis is that during baking, the upper anodes can exert an external pressure on the lower anodes, thus causing the rearrangement of the coke particles in the internal structure of the anode. This change could lead to a reduction in the distance between particles, possibly affecting the electrical resistivity. In this work, the variations in the electrical resistivity of a series of industrial anodes as a function of their position in the baking furnace were first examined. Then, through experimental work carried out in the laboratory, anode samples were fabricated and baked under different external pressures. Finally, their electrical resistivity was determined to establish a relationship between the applied mechanical force and the electrical resistivity.

Titre de l'écran-titre (visionné le 15 mai 2023) / Cette recherche est financée par le programme CREATE du SMAART-CRSNG et la stratégie Sentinelle Nord de l'Université Laval. Ce projet vise à mettre au point un prototype de biocapteur multi détection utilisé pour surveiller la croissance des bactéries ainsi que les paramètres de croissance de leur environnement, notamment le pH et la température, dans divers environnements et dans des endroits éloignés comme le Grand-Nord canadien. La mesure de l'activité des micro-organismes, comme les bactéries, à très basse température peut être extrêmement difficile en raison de leur faible métabolisme et de leur taux de croissance beaucoup plus lent. En effet, la surveillance de leurs fonctions nécessite des outils de haute précision. En outre, lorsque la température ou le pH du milieu de croissance dépasse la plage optimale, la croissance du micro-organisme est entravée. Par conséquent, il est essentiel de surveiller les paramètres environnementaux et les facteurs écologiques, tels que le pH et la température, car ils ont un impact direct sur la croissance bactérienne. Un autre élément essentiel pour améliorer la sensibilité des mesures est la conception et le dimensionnement optimaux des électrodes de détection. La réduction de la taille des électrodes de détection peut permettre une détection à haut débit dans les applications microbiologiques, et permettre des mesures avec un échantillonnage de volume minuscule. Enfin, un système à micro-échelle léger et peu coûteux permet un transport facile dans les régions éloignées. Nous avons donc conçu et fabriqué un nouveau biocapteur multimodal de haute précision, de faible puissance et de poids léger, afin de mesurer la croissance les colonies de bactéries sur le terrain, tout en relevant tous les défis critiques mentionnés ci-dessus. Comme première contribution, pour augmenter la sensibilité des mesures, non seulement le matériau des électrodes mais aussi leur mise à l'échelle et leur miniaturisation sont abordés et évalués. Le prototype utilise plusieurs électrodes à l'échelle microscopique intégrées dans une seule zone de détection pour mesurer avec précision les changements d'impédance, de pH et de température ambiante causés par les activités microbiennes. Cette conception unique comprend des électrodes interdigitées plaquées or (AuIDE), des électrodes de pH à base d'oxyde d'iridium (IrO₂) et des électrodes de détecteur de résistance-température (RTD) en or en forme de serpent sur une seule zone de détection. Plusieurs géométries d'électrodes sont conçues et mises en œuvre de manière optimale sur un circuit imprimé flexible standard, et sont comparées pour évaluer l'effet d'une zone de détection donnée sur la sensibilité du biocapteur à l'aide de diverses techniques de mesure et de circuits personnalisés. Le circuit imprimé de l'électrode est connecté à un circuit imprimé personnalisé contenant les circuits de détection pour la mesure de l'impédance, du pH et de la température. Dans la deuxième contribution, pour une détection d'impédance entièrement intégrée, un amplificateur à verrouillage CMOS (LIA) personnalisé est conçu et fabriqué dans une technologie CMOS de 0,18 µm pour surveiller la croissance bactérienne dans divers environnements à l'aide d'une technique de mesure d'impédance multifréquence. En termes de conception de circuit, un nouvel amplificateur de transimpédance capacitif (CTIA) entièrement différentiel, à faible bruit, avec Chopper stabilisation et S/H dans l'étage de sortie pour maximiser le SNR, est inclus dans la conception LIA proposée. Les autres composants principaux du LIA sont un filtre passe-bande avec des fréquences centrales sélectionnables de 1, 2, 4 et 10 kHz, un amplificateur de gain programmable (PGA) qui offre six gains variables allant de 6 dB à 67 dB pour ajuster le gain dans une plage raisonnable pour détecter le signal d'entrée sans saturer le système, un mélangeur, et un filtre passe-bas avec une largeur de bande de 40 Hz. La sensibilité globale du LIA est de 240 mV/nA avec un courant détectable minimal de 1 pA, un bruit référencé à l'entrée de 58 pA/Hz et une consommation d'énergie totale de 817,56 µW. Comparé à d'autres solutions de la littérature, ce nouveau système donne un dispositif très précis, à faible bruit et à faible consommation d'énergie pour surveiller l'activité microbienne à de faibles concentrations en mesurant l'impédance résultant des métabolites ioniques libérés. Pour relever le troisième défi critique, les circuits de lecture des capteurs de pH et de température sont fabriqués à l'aide de composants disponibles dans le commerce. Un circuit de mesure du pH est conçu en utilisant un amplificateur opérationnel avec un courant de polarisation d'entrée très faible. De plus, un circuit en pont de Wheatstone avec un réseau de résistances est conçu pour mesurer la température en se reliant à l'électrode de température RTD comme une valeur de résistance inconnue. Le microcontrôleur 8 bits reçoit le signal filtré, amplifié et numérise et traite les données du capteur. Le prototype a été utilisé avec succès pour effectuer des mesures de croissance bactérienne in vitro. Dans l'ensemble, il s'agit du premier système qui fournit un biocapteur multimodal de haute précision, à faible consommation d'énergie, à faible coût, à faible bruit, léger et non invasif pour la surveillance de la culture bactérienne. Ce système peut faire des mesures dans un très petit volume grâce à un microsystème de mesure d'impédance intégré. Ainsi, il peut être utilisé pour la surveillance des paramètres environnementaux, y compris le pH et la température, en utilisant des électrodes et des capteurs de haute précision conçus et fabriqués de manière optimale. / This research is funded by the SMAART-NSERC CREATE Program and the Sentinel North Strategy at Université Laval. This project aimed to develop a multi-sensing biosensor prototype used for monitoring bacterial growth as well as their environmental growth parameters, including pH and temperature, in diverse environments and remote locations such as Canada's north. Measuring the activity of microorganisms, such as bacteria, at very low temperatures can be extremely challenging due to their low metabolism and much slower growth rate. Indeed, monitoring their functions requires high-precision tools. Furthermore, when the temperature or pH of the growth medium goes beyond the optimal range, the microorganism's growth is hindered. As a result, monitoring the environmental parameters and ecological factors, such as pH and temperature, is critical because they directly impact bacterial growth. Another critical component for improving measurement sensitivity is the optimal design and scaling of sensing electrodes. Sensing electrode downsizing can enable high-throughput sensing in microbiology applications, and enable measurements with tiny volume sampling. Finally, a light-weight and inexpensive microscale system would allow easy transportation in remote areas. We, therefore, designed and fabricated a novel multimodal high-precision, low-power, and light-weight biosensor to interface with bacteria colonies while addressing all the critical challenges mentioned above. As the first contribution, to increase the sensitivity of measurements, not only the material of the electrodes but also their scaling and miniaturization are addressed and evaluated. The prototype uses multiple microscale electrodes integrated into a single sensing area to precisely measure impedance, pH, and ambient temperature changes caused by microbial activities. This unique design includes the optimally designed gold-plated interdigitated electrodes (AuIDEs), Iridium oxide (IrO₂)-based pH electrodes, and the snaked-shape gold resistance-temperature detector (RTD) electrodes on a single sensing area. Multiple electrode geometries are optimally designed and implemented on a standard flexible PCB and are compared to evaluate the effect of a given sensing area on the sensitivity of the biosensor employing various measurement techniques and customized circuits. The electrode's PCB is connected to a custom-designed PCB containing the sensing circuits for impedance, pH, and temperature measurement. As the second contribution, for fully integrated impedance sensing, a custom CMOS lock-in amplifier (LIA) is designed and fabricated in a 0.18 µm CMOS technology to perform bacterial growth monitoring in diverse environments using a multi-frequency impedance measurement technique. In terms of circuit design, a novel fully differential, low-noise capacitive transimpedance amplifier (CTIA) with chopper stabilization and S/H in the output stage to maximize SNR is included in the proposed LIA design. The other major components of the LIA are a band-pass filter with selectable center frequencies of 1, 2, 4, and 10 kHz, a programmable gain amplifier (PGA) that offers six variable gains ranging from 6 dB to 67 dB to adjust the gain within a reasonable range to detect the input signal without saturating the system, a mixer, and a low-pass filter with a bandwidth of 40 Hz. The overall sensitivity of the LIA is 240 mV/nA with a minimum detectable current of 1 pA, input-referred noise of 58 pA/Hz, and a total power consumption of 817.56 µW. Compared to other solutions in the literature, this novel system results in a highly precise, low-noise, and low-power consumption device for monitoring microbial activity at low concentrations by measuring the impedance as a result of released ionic metabolites. To address the third critical challenge, the reading circuits of the pH and temperature sensors are fabricated using off-the-shelf components. A pH measuring circuit is designed using an operational amplifier with a very low input-bias-current. Furthermore, a Wheatstone bridge circuit with a network of resistors is designed to measure temperature by linking to the RTD temperature electrode as an unknown resistor value. The 12-bit microcontroller receives the filtered and boosted signal and digitizes and processes the sensor's data. The prototype was successfully used to perform bacterial growth measurements in vitro. Overall, this is the novel system that provides a high-precision, low-power consumption, low-cost, low-noise, lightweight, and non-invasive multimodal biosensor for bacterial culture monitoring at very small volume through a custom integrated impedance measurement microsystem, as well as environmental parameter monitoring, including pH and temperature, employing optimally designed and fabricated electrodes and high-precision sensors.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Haute Alsace, Mulhouse, France / Le remplacement de la valve aortique par chirurgie non invasive TAVR est devenu une alternative au remplacement à cœur ouvert chez des patients à haut risque chirurgical. En 2018, plus de 300 000 patients à travers le monde ont reçu une valve aortique par voie transcathéter ce qui représente un marché mondial d'une valeur de 2 milliards de dollars par an. Cependant la durée de vie du tissu biologique utilisé pour réaliser les feuillets valvulaires dans les dispositifs existants reste une problématique à résoudre, car il existe très peu de données cliniques sur le sujet. En effet, l’implantation transcathéter impose des contraintes spécifiques, qui tendent à dégrader et fragiliser le matériau dont la durée de vie devient limitée. Le succès de la procédure TAVR favorise la recherche des matériaux synthétiques de remplacement valvulaires comme alternatives aux tissus biologiques, dont la durabilité reste inconnue. En particulier, la valve textile a récemment prouvé sa durabilité sur une étude In Vivo de 6 mois effectuée sur des moutons. La fibrose et la calcification restent cependant des facteurs critiques à contourner. Dans ce contexte, cette thèse s’inscrit dans la perspective de développer des stratégies pour améliorer labio compatibilité de la valve de substitution textile en polyéthylène téréphtalate PET. Dans le cadre de ce projet, deux stratégies ont été investiguées parallèlement pour limiter les problématiques de biocompatibilité de la valve textile. Premièrement, une fonctionnalisation de la valve textile au Polyéthylène glycol a été effectué pour augmenter son caractère hydrophile ce qui limiterait la fibrose. La valve est traitée en surface au plasma pour ne pas compromettre la flexibilité et les propriétés mécaniques du matériau textile. Une caractérisation du traitement ainsi que des études in vitro complétées par deux implantations in vivo ont été réalisées. Deuxièmement, un concept innovant de la valve hybride a été étudié. Ce concept consiste à élaborer un textile hybride composé d’un tissé de polytéréphtalathe d’éthylène (PET) auquel sera adjoint un textile non tissé de microfibres de PET afin de limiter la fibrose. Les caractéristiques physiques et les performances mécaniques de cette valve hybride ont été étudiées. Cette stratégie a été complétée par l’étude des intéractions du substrat de textile hybride avec les cellules. Des textiles hybrides de différents types ont été considérés pour démontrer l’influence de leurs propriétés physico-chimiques sur le comportement cellulaire. Cette étude vient confirmer le potentiel du concept de la valve hybride pour limiter le phénomène de fibrose Dans l’ensemble, ce projet de recherche a mis en évidence que ces deux stratégies ont bel et bien limité la fibrose mais ils ont révélé une problématique de calcification qui est critique dans la mesure où elle provoque la rigidification des feuillets de la valve. Plusieurs stratégies seront discutées pour limiter ce phénomène. / Over the last decade, transcatheter aortic valve replacement (TAVR) has become an accepted alternative technique to surgical valve replacement for over 300.000 patients worldwide in 2018, representing a global market worth-2 billion per year. This non-invasive technique provides increased comfort to the patient but is today mainly used for critical patients who cannot undergo classic surgery. Currently, the valve material used in the TAVR procedure is made of biologic tissues. However, there is a lack of data about the long-term durability of biological tissues used in transcatheter devices. Consequently, future devices should be manufactured with a smaller diameter in order to be more easily inserted through already diseased artery networks. Accordingly, it is of interest to investigate the potential of synthetic valve leaflet materials as an alternative to biological tissues. In particular, textile valves have recently proven durability in vivo over a 6 months period in animal sheep models. Exaggerated fibrotic tissue formation remains, however, a critical issue to be addressed. In this context, the aim of this work is to investigate strategies to improve the biocompatibility of the polyethylene terephthalate (PET) textile valve. As part of this project, two strategies were studied in order to limit the problems of biocompatibility of the textile valve. The first strategy consists on investigating the potential of PET textiles covalently conjugated with PEG to modulate the fibrosis formation both in vitro and in vivo. For this purpose, the surfaces of heart valves made of PET textiles were functionalized using an atmospheric pressure plasma in a gas environment enabling the formation of carboxylic acid (-COOH) groups on the surface of the material and further conjugated with PEGNH2. PEGylated surfaces were then characterized, and cell culture was carried out using rat cardiac fibroblast cells. In addition, an in vivo implantation of a PEG treated valve in a juvenile sheep model was performed and showed a significant fibrosis reduction. The implantation also revealed calcification issues that need to be addressed. The second strategy consists on investigating the design of a composite hybrid fibrous construction combining a woven PET layer and a non-woven PET mat, which are expected to provide respectively strength and appropriate topography towards limited fibrotic tissue ingrowth. For that purpose, a specific equipment has been developed to produce slight non-woven PET mats. These mats were assembled with woven PET substrates using various assembling techniques in order to obtain hybrid fibrous constructions. The physical and mechanical properties of the obtained materials were assessed and valve samples were manufactured to be tested in vitro for hydrodynamic performances. Then, a study of the interactions of the hybrid textile substrate with cells was conducted. Hybrid textiles of different types have been explored to demonstrate the influence of their physicochemical properties on cellular behavior. Results bring out that the composite hybrid fibrous construction is characterized by properties suitable for the valve leaflet function and for limiting the phenomenon of fibrosis, but the durability of the assembling is however limited under accelerated cyclic loading. Briefly, this research project revealed that these two strategies did indeed limit fibrosis, but that there is another problem of calcification that is critical as it stiffens the leaflets of the valve. Several strategies will be discussed to limit this phenomenon.

Ce mémoire présente la démarche de conception d’un générateur d’inertie à trois degrés de liberté. Un tel dispositif, conçu pour être tenu en main, utilise une ou plusieurs masses au sein d’un bâti, qui sont réorientées afin d’induire des couples à un utilisateur. Ceci influence l’effort requis par l’utilisateur et modifie sa perception de l’inertie déplacée. Pour y parvenir, un modèle réduit à un degré de liberté est élaboré puis implémenté dans un prototype. Avec une commande en couple, un rendu haptique plus que satisfaisant est obtenu, permettant des inerties jusqu’à 10 fois l’inertie intrinsèque. Par la suite, cinq concepts de générateurs à trois degrés de liberté sont modélisés et simulés. Trois de ceux-ci s’avèrent impossible ou complexes à mettre en oeuvre, laissant deux possibilités : utiliser trois roues d’inertie, ou réaliser un gyroscope à deux axes avec une roue d’inertie centrale. En simulation, le second offre une plus grande efficacité au niveau des requis des moteurs et surtout au niveau de la masse. Il est donc sélectionné pour le développement d’un prototype. Les différentes sections du modèle CAO, les instruments de mesure, et le modèle de contrôle en temps-réel sont détaillés. Avec toutes ces composantes fonctionnelles, des résultats intermédiaires sont obtenus. Le modèle dynamique est d’abord validé comme étant précis à l’aide de capteurs d’efforts, puis il est vérifié que le dispositif est en mesure de suivre des consignes de couple. Enfin la commande de génération d’inertie est implémentée. Des problèmes surviennent comme la limitation des mouvements par les câbles d’alimentation et l’instabilité inhérente du gyroscope. Ils empêchent d’utiliser l’appareil comme prévu, soit avec une roue tournant à haute vitesse. En démarrant le dispositif à 0 RPM, il réussit à simuler des inerties entre 0.5 fois et 1.5 fois son inertie intrinsèque. Ces variations sont de bonne qualité au niveau haptique, et sont suffisantes pour ressentir l’effet du dispositif. Enfin, pour améliorer ses capacités, il est suggéré de retourner vers le concept à trois roues d’inertie. / This thesis presents the synthesis and design of a three-degree-of-freedom inertia generator. Such a device, intended as a hand-held apparatus, uses one or many masses within a frame which are accelerated in order to render torques to a user. This influences the effort required by the user to move the device, and modifies their perception of its inertia. To achieve this, a simplified one-degree-of-freedom model is first elaborated and implemented in a prototype. With a torque command, a satisfying haptic rendering is obtained, capable of rendering nearly 10 times the intrinsic inertia of the device. Then, five three-degree-of-freedom torque generation concepts are modelled. Three of those are impossible or too complex to implement, leaving only two options : using three orthogonal flywheels, or using a double gimbal gyroscope with one central flywheel. When compared in simulations, the gyroscope concept offers a better efficiency in terms of mass and motor capabilities. As such, it is selected for the prototype. Then, details are given on the various components of the CAD model, the measuring tools, and the real-time model used for the control. Using these, a series of results are obtained. The dynamic model is first validated as accurate using force/torque sensors. Then the device’s ability to produce torque profiles is confirmed. Finally, its inertia generation capabilities are tested. Problems arise due to movement limitations from the power cables and the instability inherent to the gyroscope. They prevent the device to be used as intended, i.e., with the flywheel initially rotating with a large velocity. Instead, by setting it initially at 0 RPM, the device is able to render inertias equivalent to 0.5 to 1.5 its intrinsic inertia. The haptic quality of these renderings is very good, and they are sufficient to demonstrate the validity of the concept as a whole. Finally, to improve the capabilities of the device, it is suggested to use the three flywheels concept instead. .

No description available.