Cette thèse s’intéresse au rapport entre la forme et la géométrie d’un objet. Elle s’articule autour de 3 chapitres. Dans le premier, nous utilisons des "polymères électro-actifs", des systèmes capables de se déformer dans le plan lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique,pour mimer une sorte de croissance biologique. Nous avons regardé comment une croissance inhomogène pouvait déclencher une instabilité de flambage dans une plaque électro-active.Nous avons ensuite cherché à contrôler de manière locale la croissance, dans l’espoir d’obtenir des objets capables de changer de forme sur commande. Dans le deuxième chapitre, nous nous avons étudié un problème inverse : au lieu de chercher à donner une nouvelle forme naturelle à l’objet, nous le forçons à adopter une forme qui ne lui est pas naturelle. Nous avons aplati des coques élastiques hémisphériques. La transformation d’une sphère en plan n’étant pas isométrique, cette opération crée des contraintes dans l’objet. Il se produit alors une instabilité mécanique que nous avons étudiée. Enfin, nous nous sommes penchés sur le problème des "lentilles de contact" en nous demandant si l’on pouvait coller l’une sur l’autre deux portions de sphères ayant des courbures différentes. Ici encore, la différence de courbure de Gauss entre les deux surfaces conduit à des motifs d’instabilités dans la coque élastique / From a general point of view, my thesis deals with the links between the geometry and the shape of an object. It is composed of three main chapters. In the first one, we use "electro-active polymers", systems that undergo planar expansion when submitted to an electric field, to mimic a kind of biological growth. We looked at how an inhomogeneous growth can trigger buckling instability in this electro-active plate. We then tried to control locally this growth, hoping to create objects that can change shape on command. In the second chapter, we studied the opposite problem: instead of giving it a new natural shape, we force the object in adopting a non natural shape. We squashed hemispherical elastic caps. Changing a sphere into a plane is not an isometrical transformation, this operation thus creates strains in the object. We studied the mecanical instability hence produced. Finally we focused on the "contact lens" problem by wondering if it is possible to stick two spherical caps having different curvature. Here again, the mismatch of Gaussian curvature leads to patterns of instability in the elastic shell

Ein Dielektrischer Elastomer Aktuator (DEA) ist ein dehnbarer Kondensator, der aus einem Elastomerfilm besteht, der sich zwischen zwei flexiblen Elektroden befindet. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung, ziehen sich die Elektroden aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen an, wodurch das Elastomer in z-Richtung zusammengepresst wird und sich dementsprechend in der x-,y-Ebene ausdehnt. Hierdurch werden Aktuationsbewegungen erreicht, welche sehr präzise über die Spannung gesteuert werden können. Zusätzlich sind DEAs kostengünstig, leicht und aktuieren geräuschlos. DEAs können beispielsweise für Produkte im medizinischen Bereich oder für optischer Komponenten genutzt werden. Ebenso kann aus diesen Bauteilen Strom erzeugt werden. Das größte Hindernis für eine weite Implementierung dieser Materialien liegt in den erforderlichen hohen Spannungen zum Erzeugen der Aktuationsbewegung, welche sich tendenziell im Kilovolt-Bereich befinden. Dies macht die Elektronik teuer und die Bauteile unsicher für Anwender. Um geringere Betriebsspannungen für die DEAs zu erreichen, sind signifikante Materialverbesserungen - insbesondere des verwendeten Elastomers - erforderlich. Um dies zu erreichen, können die dielektrischen Eigenschaften (Permittivität) der Elastomere gesteigert und/oder deren Steifigkeit (Young-Modul) gesenkt werden. In der vorliegenden Arbeit konnte die Aktuationsleistung von Silikonfilmen durch die Addition organischer Dipole erheblich verbessert werden. Hierfür wurde ein Verfahren etabliert, um funktionalisierte Dipole kovalent an das Polymernetzwerk zu binden. Dieser als "One-Step-Verfahren" bezeichnete Ansatz ist einfach durchzuführen und es werden homogene Filme erhalten. Die Dipoladdition wurde anhand verschiedener Silikone erprobt, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften unterschieden. Bei maximalem Dipolgehalt verdoppelte sich die Permittivität aller untersuchten Silikone und die Filme wurden deutlich weicher. Hierbei war festzustellen, dass die Netzwerkstruktur der verwendeten Silikone einen erheblichen Einfluss auf die erreichte Aktuationsdehnung hat. Abhängig vom Netzwerk erfolgte eine enorme Steigerung der Aktuationsleistung im Bereich von 100 % bis zu 4000 %. Dadurch können die Betriebsspannungen in DEAs deutlich abgesenkt werden, so dass sie tendenziell bei Spannungen unterhalb von einem Kilovolt betrieben werden können. / Dielectric elastomer actuators (DEAs) are compliant capacitors consisting of an elastomer film between two flexible electrodes. When a voltage is applied the electrostatic attraction of the electrodes leads to a contraction of the polymer in the z-direction and to a corresponding expansion in the x,y-plane. DEAs show high actuation strains, which are very accurate and adjustable by the applied voltage. In addition these devices are low-cost, low-weight and the actuation is noise-free. DEAs can be used for medical applications, optical components or for energy harvesting. The main obstacle for a broad implementation of this technology is the high driving voltage, which tends to be several thousand volts. For this reason the devices are unsafe for users and the needed electronic components are expensive. A significant improvement of the materials - especially of the used elastomer - is necessary to lower the actuation voltages. This can be achieved by improving the dielectric properties (permittivity) of the elastomer and/or by lowering it's stiffness (Young's modulus). In this work the actuation performance of silicone lms was improved significantly by the addition of organic dipoles. A simple procedure was developed, in which functionalized dipoles were bound to the polymer matrix, leading to homogenous and transparent films. This so-called "one-step-film-formation" was tested on various silicones with different mechanical properties. For the highest dipole content the permittivity of all tested silicones was doubled and the modified films showed a substantially lower stiffness. It was proven that the structure of the macromolecular network has a clear impact on the achievable actuation properties. For the highest dipole contents the actuation performance increased remarkably by 100 % up to 4000 % in respect to the investigated network. The addition of organic dipoles to the elastomer enables a signicant reduction of the needed driving voltage for DEAs below one kilovolt.

Les piles à combustible microbiennes (PCMs) sont des dispositifs bio-électrochimiques qui utilisent des biofilms bactériens électroactifs afin de catalyser des réactions d'oxydoréduction anodique et/ou cathodique pour générer de l'énergie électrique. Afin de promouvoir le développement et la connexion des biofilms, points clé dans les performances des PCM, la surface de l'anode de graphite est fonctionnalisée par des unités pyridine. Celles-ci sont greffées de façon covalente via la réduction électrochimique de cations diazopyridinium, formés in situ à partir de précurseurs amine, en s'inspirant de la méthode d'électrogreffage des sels d'aryle diazonium. Cela permet d'obtenir une interface très robuste. En comparant la réactivité de différents dérivés aminopyridine et les propriétés des couches greffées résultantes, la réduction des cations para-diazopyridinium conduit à des films fins et compacts, bien adaptés pour favoriser l'adhésion bactérienne et le transfert d'électrons entre la surface de l'anode et les bactéries électroactives. La présence d'unités pyridine immobilisées en surface de l'anode permet un développement plus rapide du biofilm et des performances accrues de la PCM pour des biofilms jeunes. Par comparaison, une anode modifiée par des multicouches de polyphénylène puis colonisée par un biofilm bactérien se révèle moins efficace pour la catalyse de l'oxydation de l'acétate. La nature et les propriétés physicochimiques de l'électrolyte sont également un paramètre important dans le développement du biofilm bactérien. Les liquides ioniques à température ambiante présentent des propriétés uniques, notamment en termes de solvatation, et leur utilisation dans des applications biotechnologiques a récemment émergé. Toutefois, leurs effets sur les biofilms bactériens restent encore peu connus. L'ajout d'une sélection de liquides ioniques hydrophiles et hydrophobes à base de cations imidazolium ou pyridinium dans l'anolyte, même en très faible quantité, ou immobilisés à la surface de l'anode inhibe le développement du biofilm. / Microbial Fuel Cells (MFCs) are bio-electrochemical devices based on electroactive bacterial biofilms which catalyze the electron transfer both at the anode and cathode to generate electrical power. To enhance the biofilms development and to improve the biofilm-electrode connection, being both key features in the performance of the MFC, the graphite anode was functionalized by pyridine units. In order to ensure a robust interface, pyridine units are grafted covalently through the electrochemical reduction of diazopyridinium cations in situ formed from aminopyridine precursors, following the well-known electrografting method for aryl diazonium salts. By comparing the reactivity of various aminopyridine derivatives and the resulting grafted layers properties, the para-diazopyridinium cations reduction results in a thin and compact layer, which is the best suited for promoting bacterial adhesion and favorable electron transfer between the anode surface and electroactive bacteria. The presence of pyridine units immobilized on the anode surface leads to a faster biofilm development together with increased MFC performances for young biofilms. In contrast, anode modified with polyphenylene multilayers and then colonized by a bacterial biofilm has been proved to be less effective for the catalysis of acetate oxidation. On the other hand, the nature of the electrolyte and the physicochemical properties are also important parameters for the bacterial biofilm development. Room temperature ionic liquids have unique properties, particularly in terms of solvation, and their use in biotechnological applications has recently emerged. However, their effects on bacterial biofilms remain little known. The addition of a selection of hydrophilic and hydrophobic ionic liquids based on imidazolium or pyridinium cations in the anolyte, even in very small quantities, or immobilized at the anode surface inhibited the biofilm development.

Le Morphisme Electroactif est un axe multidisciplinaire, associant l’aérodynamique, les matériaux innovants et la mécatronique. Ce concept consiste en l’amélioration des performances aérodynamiques par l’utilisation d’actionneurs déformant la surface portante d’un aéronef en temps réel. Soutenue par Airbus, la modélisation, conception et réalisation d’un démonstrateur petite échelle est une première étape. Basée sur un profil d’aile A320, il est équipé d’actionnements pour le morphisme électroactif hybride : de grandes déformations à faibles vitesses par des Alliages à Mémoire de Forme sont associés à l’intégration au bord de fuite d’actionneurs piézoélectriques permettant de hautes fréquences d’actionnement à amplitude moindre. Une seconde étape de la thèse est dédiés aux essais en soufflerie. La mesure de forces et la vélocimétrie d’images de particules permettent de comprendre la physique de l’écoulement et de la turbulence. L’étude de ce couplage fluide-structure-actionneurs présente les effets du morphisme par actionnement indépendant ; puis le couplage non linéaire de l’actionnement hybride. La troisième étape consiste au passage vers une échelle réaliste des actionneurs, par la conception d’un volet « électro-morphé ». Une approche de dimensionnement par optimisation est proposée. Basé sur des technologies nouvelles d’actionnement, un prototype d’un tel macroactionneur est alors conçu pour être testé. / Electroactive Morphing is a multidisciplinary axis, combining aerodynamics, innovative materials and mechatronics. This concept consists in improving the aerodynamic performance by the use of actuators deforming the airfoil of an aircraft in real time. Supported by Airbus, the modeling, design and implementation of a small scale demonstrator is a first step. Based on an A320 wing profile, it is equipped with actuators for hybrid electroactive morphing: large deformations at low speeds by Shape Memory Alloys are associated with the integration at the trailing edge of piezoelectric actuators allowing high operating frequencies at lower amplitude. A second step of the thesis is dedicated to wind tunnel tests. The measurement of forces and the Particle Image Velocimetries allow for the understanding of the flow and turbulence physics. The study of this fluid-structure-actuator coupling presents the effects of the morphism by independent actuation; then the nonlinear coupling of the hybrid actuation. The third step is the transition to a realistic scale of actuators, by designing an "electro-morphed" macro-actuator. An optimization sizing approach is proposed. Based on new actuation technologies, a prototype of such a macro-actuator is then designed to be tested.

Certains problèmes d’audition trouvent leur origine dans des anomalies de transmission de l’énergie des vibrations acoustique par la chaîne des osselets de l’oreille moyenne. Il se pratique aujourd’hui des opérations chirurgicales visant à la reconstruire. Un outil permettant d’évaluer la qualité de transmission des vibrations par de la chaîne ossiculaire pendant l’opération apporterait une aide substantielle au praticien afin dans le but d’optimiser la configuration des osselets. Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de la conception d’un capteur microsystème adapté à la mesure de l’amplitude de vibrations des osselets. Nous y avons particulièrement développé les travaux de modélisation de la structure mécanique du capteur. Il s’agit d’une structure communément employée pour les capteurs tactiles dont nous modélisons le comportement en régime harmonique. Dans une la deuxième partie nous présentons une étude d’optimisation du capteur en vue de son utilisation « tenu en main » par le chirurgien. Celle-ci repose notamment sur l’utilisation d’un modèle électrique équivalent de l’oreille moyenne et d’un logiciel d’optimisation multicritères. Nous présentons dans cette partie un concept de filtre mécanique des basses fréquences par l’utilisation des propriétés viscoélastiques des matériaux polymères. La dernière partie traite des travaux de réalisation des différents composants d’un capteur basé sur les matériaux polymères. Les travaux de réalisation et de test de membranes en résine SU8 y sont présentés ainsi que l’intégration de jauges en matériaux électroactifs chargés en nanoparticules. L’utilisation d’une technique de moule perdu pour réaliser la structure mécanique du capteur est discutée. / Acoustic transmission anomalies of the middle ear ossicular chain can result in hearing losses. Nowadays some surgical interventions allow significant hearing improvements by reconstructing the ossicular chain. A tool able to evaluate vibration transmission along the ossicular chain would be of great help to the surgeon. The work presented in this manuscript deals with the conception design of a MEMS sensor adapted suitable ftoor ossicle’s vibration amplitude measurement. Modelling of the sensor structure mechanical behaviour has been particularly developed. The presented structure which is similar to onethat widely used in tactile sensors conception design that wewas modelled ins the harmonic vibrating regime here.

Récupérer l'énergie mécanique ambiante est une alternative prometteuse afin d'assurer l'autonomie énergétique d'appareils nomades. Le développement des générateurs électrostatiques souples reste toutefois à ce jour anecdotique du fait des hautes tensions de polarisation employées, de la nécessité de grandes déformations mécaniques mais aussi de l'utilisation de matériaux peu conventionnels et mal caractérisés. Le but de cette thèse est d'apporter des avancées scientifiques et des solutions aux verrous technologiques précités. Tout d'abord, une caractérisation rigoureuse des propriétés électriques et mécaniques de deux matériaux communément utilisés pour ces applications (acrylate VHB 4910 et silicone Polypower) nous a donné accès aux propriétés physiques dans un fonctionnement réel de ces polymères : influence de la précontrainte, de la nature des électrodes... Ces données ont permis d'élaborer des lois analytiques fiables que nous avons ensuite insérées dans un modèle thermodynamique permettant de définir avec précision les puissances et densités d'énergie récupérables pour ces générateurs. Des pistes d'amélioration des matériaux utilisés dans les applications générateurs peuvent être dégagées de notre modèle. Le second verrou à lever concerne la source haute tension de polarisation nécessaire à ces générateurs électrostatiques. Pour cela, nous avons proposé une solution innovante couplant l'élastomère diélectrique à un électret. Différentes configurations de générateurs hybrides dans des géométries 2D et 3D ont été évaluées. Enfin, nous avons réalisé un prototype qui a délivré une puissance de l'ordre de 35µW sachant qu'une optimisation de ce prototype est réalisable et que des puissances récupérées de plusieurs centaines de µW sont tout à fait réalistes. / Scavenging mechanical ambient energy is a promising solution to ensure the autonomy of wearable transducers. Nevertheless, the development of soft electrostatic generator (DEG) is up to now slow down due to the use of high bias voltage, high strain and innovative mischaracterized materials. The aim of this Ph-D thesis is to propose innovative solutions to these technological barriers. Firstly, a complete characterization of the electrical and mechanical properties of two commonly used dielectric polymer (acrylate VHB 4910 and silicone Polypower) has revealed the true physical properties of these polymers and especially the influence of the pre-stress and the nature of the electrode used. Thanks to these data, reliable analytic laws have been proposed and inserted into our thermodynamic model in order to predict the output power and scavenged energy density for the DEG. Moreover, our model allow us to propose improvements for the materials used in these applications. The second challenge is to propose an alternative to the high bias voltage needed for these soft generators. We have proposed an innovative solution combining an electret and a dielectric elastomer. Various configurations of hybrid generators in 2D or 3D geometry have been modelled and evaluated. Finally, a prototype has been designed allowing scavenging 35µW. With an appropriate optimization of our prototype, hundreds of µW can be scavenged.

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Electroactive microorganisms possess the unique capability to transfer catabolically generated electrons via extracellular electron transfer (EET) to solid electron acceptors beyond their cell membranes. Presumably, electroactive microorganisms have a considerable impact on natural redox processes and show potential for being harnessed in microbial electrochemical technologies (METs) providing novel solutions for environmental issues. Although many aspects of electroactive microorganisms and EET have been elucidated, the respective thermodynamics and the energy fluxes during growth are almost untapped. However, understanding thermodynamics is the key for realisticall assessing the influence of electroactive microorganisms on natural ecosystems and the feasibility of METs. Thus, the intention of the present thesis was to establish methods for analyzing the thermodynamics of electroactive microorganisms. This was achieved by developing the method bioelectrocalorimetry and a model framework for biofilm anodes. A bioelectrocalorimeter was used to measure the heat production of a Geobacter species dominated biofilm performing EET. By creating a heat flux balance, the microbial electrochemical Peltier heat was identified representing an entropic hurdle for EET reactions. The mathematical model for biofilm anodes comprises calculations of microbial growth thermodynamics and kinetics as well as physical, chemical, and electrochemical processes at different spatial and temporal scales. It demonstrates that more detailed experimental assessments of thermodynamic parameters of electroactive microorganisms are urgently required. Furthermore, the thesis at hand provides a comprehensive data set on the energy content of wastewater that can be used to evaluate the feasibility as well as the thermodynamic efficiencies of METs. In conclusion, the thesis provides tools and useful thermodynamic information for the establishment of a complete energy balance of electroactive microorganisms and the elucidation of the driving forces for EET.

Microbial resource mining of electroactive microorganism (EAM) is currently methodically hampered due to unavailable electrochemical screening tools. Here, we introduce an electrochemical microwell plate (ec-MP) composed of a 96 electrochemical deepwell plate and a recently developed 96-channel multipotentiostat. Using the ec-MP we investigated the electrochemical and metabolic properties of the EAM models Shewanella oneidensis and Geobacter sulfurreducens with acetate and lactate as electron donor combined with an individual genetic analysis of each well. Electrochemical cultivation of pure cultures achieved maximumcurrent densities (jmax) and coulombic efficiencies (CE) that were well in line with literature data. The co-cultivation of S. oneidensis and G. sulfurreducens led to an increased current density of jmax of 88.57 ± 14.04 μA cm−2 (lactate) and jmax of 99.36 ± 19.12 μA cm−2 (lactate and acetate). Further, a decreased time period of reaching jmax and biphasic current production was revealed and the microbial electrochemical performance could be linked to the shift in the relative abundance.

The next generation of biomedical tools requires reshapeable electronics to closely interface with biological tissues. This will offer unique mechanical properties and the ability to conform to irregular geometries while being robust and lightweight. Such devices can be achieved with soft materials and thin-film structures that are able to reshape on demand. However, reshaping at the submillimeter scale remains a challenging task. Herein, shape-controlled microscale devices are demonstrated that integrate electronic sensors and electroactive polymer actuators. The fast and biocompatible actuators are capable of actively reshaping the device into flat or curved geometries. The curvature and position of the devices are monitored with strain or magnetic sensors. The sensor signals are used in a closed feedback loop to control the actuators. The devices are wafer-scale microfabricated resulting in multiple functional units capable of grasping, holding, and releasing biological tissues, as demonstrated with a neuronal bundle.