La restauration est un outil de géologie structurale qui a prouvé son utilité dans divers domaines, tels que la compréhension des mécanismes de déformation, la prédiction de fractures, la validation de modèles structuraux, etc. En 3D, l'approche géomécanique est particulièrement prometteuse, puisqu'elle permet non seulement de connaître la déformation en tout point du modèle, mais aussi de prendre en compte les contrastes de propriété des matériaux. Cependant, elle nécessite un maillage tétraédrique du modèle dont la génération est à ce jour très difficile dans le cas de modèles à géométrie complexe (réseaux de failles interconnectés ou à faible rejet, discordances ou amincissements de couche). La modélisation implicite consiste à représenter les horizons stratigraphiques par des isovaleurs de propriété, ce qui permet de s'affranchir de la plupart des contraintes de maillage. Dans une première partie, une méthode de restauration géomécanique 3D applicable à des modèles implicites est présentée. La deuxième partie de ce travail s'intéresse à l'application de celle-ci à des cas complexes. Dans ce cadre, de nouvelles lois de comportement géomécaniques et conditions aux limites ont été développées, et des études de sensibilité à ces paramètres ont été menées. Ces travaux sont illustrés sur un bassin pétrolier complexe situé dans le delta du Niger où la restauration permet de définir une chronologie de déformation. Enfin, la troisième partie présente l'intégration d'une méthode de décompaction isostatique en volume au sein du processus de restauration 3D. Appliquée au synclinal des grès d'Annot (SE de la France), cette méthode permet de caractériser l'histoire de déformation et d'enfouissement du bassin / Restoration is a structural geology tool which usefulness has been shown in various fields, such as the understanding of deformation mechanisms, fracture forecasting, or structural models validation. In 3D, the geomechanical approach is particularly promising as it allows the deformation at any point in the model to be infered, but also to account for material property contrasts. However, it requires to generate a tetrahedral mesh, a step that may be, so far, extremely difficult, particularly when the geometry of the model is complex (interconnected faults, faults with small throws, unconformities or layer pinch-out).Implicit modeling consists in representing stratigraphic horizons by property isovalues, allowing most meshing issues to be overcame. In a first part, a geomechanical restoration method suitable for implicit models is presented. The second part of this work focuses on the application of this method to complex cases. New behavioral laws and boundary conditions have been developed, and sensitivity studies to these parameters have been performed. This work is applied to a petroleum basin located in the Niger delta toe where the restoration allows the structural evolution of the system to be constrained. The last part presents the integration of a 3D isostatic decompaction method into the 3D restoration process. Applied to the Annot Sandstones syncline (SE France), this method allows to characterize the deformation and burial history of the basin

Les tests couramment utilisés pour évaluer le déficit sensori-moteur induit par une lésion du cerveau chez le rat posent problèmes en termes de sensibilité, d’objectivité et de quantification. Nous avons émis l'hypothèse selon laquelle l'analyse 3D de la cinématique de la locomotion constitue un paradigme expérimental approprié pour quantifier un tel déficit. Aussi, la locomotion a été étudiée lors d'une course sur tapis roulant (25 cm/s) muni ou pas d'obstacles (deux obstacles de 3cm de haut et 1,2 cm de large) à l'aide du système optoélectronique VICON. Le mouvement des quatre pattes a été simultanément enregistré avant et après induction d'une lésion unilatérale soit du striatum (mort d'origine métabolique des neurones striataux) soit du cortex cérébral (infarctus du cortex moteur) chez le rat adulte. Le laboratoire a précédemment montré que ces deux modèles de lésion conduisaient à une anomalie plus ou moins durable de la traversée d'une poutre étroite et surélevée, test classiquement utilisé pour évaluer la locomotion du rat. La première étude décrit pour la première fois la stratégie utilisée par le rat pour franchir un obstacle. Elle révèle que le franchissement s'accompagne d'une rupture complète du pattern locomoteur de base et que l'élévation des ceintures contribue de façon notable au passage de chacune des pattes au- dessus de l'obstacle. La seconde étude montre que la lésion du striatum s'accompagne d'un déficit locomoteur durable lors des deux modalités de course, l'anomalie portant sélectivement sur les pattes contralatérales à la lésion. Plus précisément, ces pattes présentent une flexion exagérée pendant la phase d'appui dont la durée est augmentée. Par ailleurs, lorsque que la patte antérieure opposée à la lésion conduit la manœuvre de franchissement, elle prend fréquemment appui sur l'obstacle suite à une initiation trop précoce de son élévation. Dans ce cas, la patte postérieure homolatérale franchit ou non correctement l'obstacle. L’ensemble de ces résultats suggère l’implication du striatum dans la programmation des mouvements guidés par la vue. La dernière expérience montre qu'aucune des modalités de locomotion n'est affectée par la lésion corticale, suggérant que le faisceau corticospinal n’est indispensable ni à la locomotion ni à son adaptation à l’environnement. En conclusion, notre travail montre que nos modalités d'enregistrement de la locomotion sont appropriées pour quantifier le déficit fonctionnel induit par une lésion du striatum, mais pas celui induit par une lésion du cortex moteur. Il serait intéressant de répéter les expériences lors d'une course volontaire, de manière à s'affranchir de la stimulation sensitive générée par le déroulement du tapis sous les pattes et d’étudier la réversibilité du déficit en cas de lésion partielle du striatum. / Although the rat has become the favourite animal model in preclinical researches on locomotion, studies designed to assess the strategy used by rats to avoid obstacle avoidance are lacking in rats. Using an optoelectronic 3D motion analysis system, we have, therefore, compared the step pattern, timing and length variables of locomotor cycles, trajectories and joint angles values of limbs when rats stepped between and overcame obstacles (3 cm-height) fixed on a treadmill belt (25 cm/s). Motion of all the four limbs was serially recorded for a 10 weeks long-period in adult animals with an initial age of 11 weeks. The results show that obstacle avoidance results in disruption of the basic step pattern thus resulting in increased stride length of all limbs, increased duration of the swing phase of forelimbs, only, and appearance of quadrupedal stance phases. They also reveal that elevation of limbs above the obstacle not only involved their flexion but also displacement of corresponding girdles. Remarkably, trajectory of the forelimb that was the second to overcome obstacle was the mirror image of that of the leading forelimb. Lastly, all measured parameters remain stable over the observation period during which body weight gain reaches 100 g (one third of the initial body weight). In conclusion, our study may represent a basic work for futures studies aimed at understanding the neural pathways involved in pathologies associated with deficit/recovery of challenged locomotion.

La marche est un mécanisme complexe impliquant l’élaboration de trajectoires dans des milieux divers et variés et la réalisation des mouvements segmentaires qui permettent de les parcourir. Elle est alors dépendante de l’environnement, des obstacles et autres individus qui le peuplent mais également des capacités physiques du corps humain. De part cette complexité, l’étude de la marche est généralement compartimentée en deux niveaux : la génération de trajectoires locomotrices d’une part et les mouvements des membres d’autre part. Ce travail vise à proposer un processus complet d’analyse de la marche, en s’intéressant au lien unissant les trajectoires locomotrices aux mouvements segmentaires. Dans un premier temps nous nous intéressons à la génération de trajectoires. Plus particulièrement, nous nous focalisons sur une situation de croisement entre deux piétons et sur les stratégies mises en place pour éviter la collision. Puis, nous portons notre attention sur la manière dont les endroits de pose de pieds sont influencés par la trajectoire. Cette analyse nous conduit à proposer un modèle de génération d’empreintes de pas. Enfin, nous nous intéressons à la générations des trajectoires articulaires menant au mouvement de marche. Par l’utilisation de la méthode de linéarisation locale nous proposons une nouvelle méthodologie pour la simulation de la marche à partir d’une entrée unique : la prochaine empreinte pas / Walking is a complex mecanism involving trajectories generation in various environments and motion generation in order to follow the path. Then, it is dependent on environment, obstacles and peoples moving around but also on body capabilities. This complexity lead scientits to split walking analysis in two levels : trajectory generation in one hand, and motion generation in the othe hand. This work aim to provide a global walking analysis processus by linking trajectorires and motion generation. First, we explore walking trajectories throw a particular situation : pedestrians crossing. Here we take interest in trajectories and speed adaptations. Then, we sink for the link between trajectory and heelstrike. It lead us to develop a model for heelstrike generation based on trajectory. Finally, we take interest in walking motion simulation. By the use of local linearization, we provide a new methodology for joints joints angles generation

Les patients hémiparétiques présentent des troubles de la marche couramment évalués, lors d’une marche stabilisée en ligne droite, par des tests cliniques chronométriques et parfois par une analyse quantifiée de la marche explorant les paramètres biomécaniques de celle-ci. L’analyse de tâches de navigation dans l’environnement, impliquant des contraintes rencontrées au quotidien, apparait pertinente parallèlement à l’analyse de la marche stabilisée en ligne droite. Le test du Timed Up and Go (TUG) comprend des tâches de marche orientée vers une cible et de demi-tour, ce qui correspond à un grand nombre de déplacements effectués dans la vie quotidienne. Cependant la performance chronométrique obtenue à l’issue de ce test ne permet pas la compréhension des mécanismes à l’origine de cette performance. L’objectif principal de cette thèse est de caractériser les déplacements locomoteurs des patients hémiparétiques au cours de tâches de navigation telles que celles impliquées dans le TUG. Pour cela nous proposons une analyse biomécanique de leurs déplacements au cours des 3 phases de navigation du TUG (marche orientée vers l’obstacle, demi-tour et marche orientée vers le siège). Cette analyse concerne l’étude de la cinématique, de la stabilité et des trajectoires locomotrices de ces patients et de sujets sains. L’originalité de ce travail repose sur la caractérisation biomécanique de l’organisation des patients hémiparétiques lors de tâches de navigation, au moyen de paramètres innovants. La diminution de la performance chronométrique observée chez les patients hémiparétiques,comparativement aux sujets sains, s’explique tout d’abord par une diminution de la majorité des paramètres spatio-temporels et de la cinématique articulaire lors des 3 phases de navigation des patients. De plus, les résultats montrent que les phases de marche orientée sont contrôlées par les mêmes paramètres pour les patients hémiparétiques et les sujets sains, mais avec une pondération différente et, que la phase du demi-tour est contrôlée par des paramètres spécifiques différents. Les résultats mettent également en évidence des différences organisationnelles entre les patients hémiparétiques et les sujets sains, à savoir un défaut de stabilité, un ralentissement lors du demitour et une déviation de la trajectoire locomotrice pour les patients. Ces résultats suggèrent que les patients hémiparétiques mettent en place une stratégie consistant en un compromis entre la stabilité, la trajectoire et la performance pour une réalisation optimale des tâches de navigation telles que celles réalisées lors du TUG. Des répercussions sur la prise en charge clinique des patients hémiparétiques peuvent être envisagées à l’issue de ce travail. / The gait characteristics of patients with hemiparesis are usually assessed during stable, straightline gait. Clinical tests are mostly based on timed performance, although biomechanical gait analysis may be carried out. The analysis of navigational tasks that involve constraints encountered in daily life is necessary to increase understanding of gait deficits. The Timed Up and Go test (TUG) includes oriented gait towards a target, and turning tasks, typical of real-life gait. However, the simple analysis of performance time does not provide sufficient information regarding actual performance of the tasks. The main aim of this thesis was to characterize the locomotor displacements of hemiparetic patients during navigational tasks, such as those involved in the TUG. To this end, we carried out a biomechanical analysis of gait during the three navigational tasks of the TUG (oriented gait to the target, turning and oriented gait to the seat). We analysed the kinematics, stability and locomotor trajectories of patients and healthy subjects. This work is original because it provides a biomechanical characterization of the organization of gait in patients with hemiparesis during navigational tasks, using innovative parameters. The longer performance time in hemiparetic patients, compared with healthy subjects, was related to a decrease in the majority of spatio-temporal and joint kinematic parameters. Moreover, the results showed that oriented gait tasks were controlled by the same parameters in hemiparetic patients and healthy subjects, but in different proportions. In contrast, the turning task was controlled by different, specific parameters. Organizational differences between hemiparetic patients and healthy subjects were also highlighted, namely a lack of stability, slowing during the turn and deviation from the trajectory by the patients. These results suggest that hemiparetic patients use a strategy which is a compromise between stability, trajectory and performance for the optimal achievement of navigational tasks, such as these involved in the TUG. The implications of this work for the clinical management of hemiparetic patients are explained.

Le syndrome de parésie spastique consécutif à un accident vasculaire cérébral (AVC) comprend plusieurs composantes dont la rétraction musculaire, la parésie sensible à l’étirement et l’hyperactivité musculaire, trois symptômes concourant à une altération de la fonction motrice du membre supérieur dans l’hémiparésie. Les progrès d’un patient atteint par ce syndrome peuvent reposer sur deux types de plasticité cérébrale : post-lésionnelle et liée à l’activité. Les maîtres-mots pour optimiser une récupération motrice par la plasticité liée à l’activité sont : intensité, répétition, effort, attention portée au mouvement, tâche dirigée vers un but et mouvement actif. Au regard des différentes techniques de rééducation, la thérapie utilisant un dispositif robotisé répond à ces principes stimulateurs de la plasticité cérébrale liée à l’activité. Cependant les modalités exactes de l’intervention robotisée et sa durée souhaitable n’ont pas été clarifiées.Une première étude rétrospective a montré que les bénéfices cliniques et cinématiques associés à l’utilisation combinée de l’ergothérapie conventionnelle et de la robot-thérapie sur au moins trois mois suggèrent l’intérêt d’une durée de traitement longue chez des patients aux limitations modérées en phase tardive de la période subaiguë. Une deuxième étude rétrospective suggère qu’à quatre ans, l’évolution lente de la fonction motrice pour ces mêmes patients semble fonction de la sévérité initiale, où finalement les moins bons régressent et les meilleurs s’améliorent un peu. Enfin, une étude prospective randomisée contrôlée en phase subaiguë a démontré que l’entraînement de mouvements sur robot sans assistance améliore l’amplitude active d’extension du coude plus que le même entraînement avec assistance au besoin, qui pourtant a permis au patient d’effectuer environ un tiers de mouvements en plus par séance. Aussi, le facteur difficulté de l’effort prévaudrait sur celui du nombre de répétitions pour stimuler la plasticité cérébrale. Ce dernier principe ne s’exprime cependant que sur le mouvement élémentaire qui est directement entraîné par le robot, en l’occurrence l’extension du coude, tandis que d’autres mouvements fondamentaux dans l’utilisation du bras humain, par exemple la flexion de l’épaule en charge, l’extension du poignet et la préhension digitale, ne sont pas exercés avec la plupart des versions actuelles des robots d’assistance à la rééducation. L’autre limite majeure de la thérapie assistée par un dispositif robotisé est qu’elle ignore la maladie musculaire présentée par les patients (rétractions), ne s’adressant qu’à la composante neurologique de la parésie spastique (parésie de l’agoniste et cocontraction de l’antagoniste). C’est ainsi que malgré le grand nombre de répétitions de mouvements qu’elle permet, nous n’avons pas constaté que la thérapie assistée par un robot se montrait plus efficace que la thérapie conventionnelle seule sur la progression de la fonction globale du membre supérieur en phase subaiguë après un AVC.Les données issues de ce travail devraient permettre aux thérapeutes ayant accès à des dispositifs robotisés d’aide à la rééducation du membre supérieur d’affiner les modalités et la durée de leur prise en charge. L’association de la thérapie assistée par robots à d’autres thérapies pourrait permettre d’optimiser la réduction des troubles moteurs dans l’hémiparésie après un AVC. / Following stroke, the syndrome of deforming spastic paresis includes several components in which three main symptoms, soft tissue contracture, stretch-sensitive paresis and spastic muscle overactivity, impede motor function. Patient progress may utilize two types of brain plasticity: lesion-induced and behavior-induced. The key notions to optimize motor recovery through behavior-induced plasticity are: repetition, effort, attention to movement, goal-directed task and active movement. Robot-assisted therapy fulfills all these conditions. However, the exact modalities of use and optimal duration are yet to be defined.From a first retrospective study, the magnitude of the clinical and kinematic benefits associated with the combined use of robot-assisted and conventional occupational therapies during three months suggest the value of a long duration treatment in the late subacute phase for moderately impaired hemiparetic patients. A second retrospective study observed the four-year long-term evolution of motor function for these patients, which appears to be related to the baseline severity, in which the more severely affected deteriorate and the less severe patients improve a little. Finally, a prospective randomized controlled study demonstrated that non-assisted movement training was associated with greater active elbow extension improvement than training with the assist-as-needed modality even though the latter offered the patient 33% movements more in each session. Therefore, the difficulty of effort appears to be a more effective factor of brain plasticity than the number of movement repetitions. This principle has however been demonstrated only for the primary movement directly trained by the robot, that is, elbow extension. The other movements that are essential in human upper limb use, such as shoulder flexion, wrist extension, gross and fine digit prehension, are not trained with the most current versions of robots used in upper limb rehabilitation. In addition, another important limitation of robot-assisted therapy is that it ignores the muscle disorder (antagonist shortening) of spastic paresis by focusing only on the neural disorder component (paresis in agonists and cocontraction in antagonists). Despite the high number of movement repetitions in robot-assisted therapy, our prospective study has not been able to show superiority of robot-assisted therapy over conventional occupational therapy in improving overall upper limb motor function in the subacute phase after stroke.The findings of this work should help therapists with access to robotic devices to refine the modalities and duration of their use in patient care. Combining robot-assisted therapy with other therapies might optimize the reduction of motor disorder in hemiparesis following stroke.

SOFIA (Studies On FIssion with Aladin) est un programme expérimental innovant qui a pour objectif la mesure de plusieurs observables de la fission nucléaire : les taux de production isotopiques des fragments de fission, l'énergie cinétique totale des fragments, et la multiplicité des neutrons prompts. Ces informations sont obtenues pour une large variété d'actinides et de pré-actinides. Le recours à la cinématique inverse (le système fissionnant est le faisceau et non pas la cible) est le seul moyen d'identifier les fragments à la fois en charge et en masse. Le travail de doctorat présenté dans cette thèse porte sur l'expérience menée en Octobre 2014 et dédiée à la mesure de la fission de ² ³ ⁶ U induite par excitation coulombienne, soit l'analogue de la fission de ² ³⁵U induite par neutron.Les expériences SOFIA ont lieu à GSI (Darmstadt, Allemagne), la seule installation au monde capable de délivrer un faisceau d'uranium ² ³⁸ de 1 GeV par nucléon. Ce faisceau primaire subit une première fragmentation, dont les produits sont sélectionnés par le FRS (FRagment Separator) afin de former un faisceau secondaire du noyau d'intérêt, en l'occurrence ² ³ ⁶ U, qui est guidé vers l'expérience SOFIA où sa fission est déclenchée.Certains noyaux proches de ² ³ ⁶ U sont également transmis par le FRS : il est donc nécessaire de procéder à l'identification en masse et en charge du système fissionnant, puis d'identifier les deux fragments de fission. Dans les deux cas, l'identification, réalisée événement par événement, repose sur la mesure simultanée de la perte d'énergie dans un gaz, de la rigidité magnétique et du temps de vol. Seules les fissions induites par excitation coulombiennes sont pertinentes : la contribution des réactions nucléaires à la production des fragments doit donc être mesurée et soustraite.L'analyse présentée dans ce document inclut l'identification du faisceau secondaire en masse et en charge, l'identification en charge des fragments de fission, l'estimation de la contribution des réactions nucléaires, et finalement les taux de production des éléments obtenus dans la fission de ² ³ ⁶ U. Ces résultats sont comparés à ceux d'autres mesures réalisées sur SOFIA, et à des résultats antérieurs obtenus par d'autres techniques. / SOFIA (Studies On FIssion with Aladin) is an innovative experimental program which aims to measure several fission observables — the isotopic fission yields, the total kinetic energy of the fragments and the prompt neutron multiplicity, for a wide range of actinides and pre-actinides. The use of inverse kinematics (the fissioning system is the beam instead of the target) is the only way to fully identify fragments in charge and mass. The PhD work presented in this thesis concerns the experiment conducted in October 2014, and is focused on the Coulomb-induced fission of ² ³ ⁶ U, which can be regarded as the analog of the neutron-induced fission of ² ³⁵U.The SOFIA experiments take place in GSI (Darmstadt, Germany) because it is the sole facility in the world which delivers a beam of ² ³⁸U at 1 AGeV. This beam is fragmented and the products are selected by the FRS (FRagment separator) in order to deliver a secondary beam of nuclei of interest - ² ³ ⁶ U in our case, which is then guided to the SOFIA setup where its fission is triggered.Since some nuclides with close atomic and mass numbers to ² ³ ⁶ U are also transmitted by the FRS, it is necessary to identify the fissioning system from the secondary beam first, and then identify both the associated fission fragments. All identifications are performed event by event on the basis of measurements of the energy loss, the magnetic rigidity and the time of flight. Since we are only interested in the Coulomb-induced fission of ² ³ ⁶ U, the contribution of fragmentation fissions on the nuclear charge distribution of fission fragments has to be suppressed.The analysis in this paper involves the isotopic identification of the fissioning system, the nuclear charge identification of the fission fragments, the estimation of the nuclear contribution, and the extraction of the elemental fission yield. The results are then compared to other measurements performed with the SOFIA setup, as well as previous results obtained by other techniques.

La spectroscopie sans fente a longtemps été considérée comme une technique compliquée de part ses effets d’auto- et d’inter-contamination. Toutefois, depuis l’ère des instruments du Télescope Spatial Hubble qui offrent un bruit de fond faible et une bonne résolution spatiale, la spectroscopie sans fente est devenue un outil largement utilisé pour les sondages spatiaux astrophysiques et cosmologiques. Dans ce contexte, nous nous sommes intéresser à l’application de cette technique pour l’étude individuelle d’objets. Dans les sondages actuels, l’analyse de ces spectres s’effectue généralement à partir de méthodes inverses qui ne tiennent pas compte de l’effet d’auto-contamination et mé- langent donc les propriétés morphologiques et spectrales de la galaxie. Les objectifs de cette thèse sont tout d’abord de prendre en compte cet effet de contamination qui dégrade la résolution spec- trale effective en fonction de l’extension spatiale de la source, afin de mesurer plus précisément le redshift et autres propriétés spectrales intégrées. Nous explorons aussi la faisabilité de la mesure de quantitées spatialement résolues telle que la cinématique interne des galaxies. Nous construisons alors un modèle complet qui peut être quantitativement comparé aux observations actuelles dans une approche forward. Ce modèle est par la suite testé sur des données sélectionnées des relevés GLASS et 3D-HST, afin de contraindre en particulier le redshift et les paramètres cinématiques modélisant la courbe de rotation de la galaxie. Notre approche forward permet d’atténuer l’effet d’auto-contamination et donc d’améliorer la précision sur la mesure du redshift. Dans un sous-échantillon de galaxies spirales isolées et résolues, il est alors possible de contrainte assez significativement les paramètres cinématiques. Nous étudions également les systématiques liées aux hypothèses de notre modèle grâce à des simulations avec les données du relevé de spectroscopie à champ intégral MaNGA, qui tendent à montrer que la mesure de ces paramètres reste assez difficile pour la plupart des données récentes de spectroscopie sans fente. Néanmoins, ces simulations indiquent que le modèle forward contraint relativement bien le redshift. Enfin, ces travaux montrent des applications prometteuses pour les futures grands relevés spectroscopiques tel que Euclid / Slitless spectroscopy has long been considered as a complicated and confused technique because of its self- and cross-confusion effets. However, since the era of the Hubble Space Telescope (HST) instruments which offer a low background and fine spatial resolution, slitless spectroscopy has become an adopted cosmological survey tool to study galaxy evolution from space. Within this context, we investigate its application to single object studies. In recent surveys, the spectra analysis is usually done using backward extraction which mixes spatial and spectral properties and therefore does not take into account self-confusion effect. The goals of this PhD is firstly to include this effect which degrades the effective spectral resolution (which depends on the extent of the source), in order to make the redshift and other integrated spectral features measure- ments more accurate. We also explore the feasibility to measure spatially resolved quantities such as galaxy kinematics. We build a complete forward model to be quantitatively compared to actual slitless observations. The model is tested on selected observations from 3D-HST and GLASS surveys, to estimate redshift and kinematic parameters (modeling the galaxy rotation curve) on several galaxies mea- sured with one or more roll angles. Our forward approach allows to mitigate self-confusion effect, and therefore to increase the precision of redshift measurements. In a sub-sample of well-resolved spiral galaxies from HST surveys, it is possible to significantly constrain galaxy rotation curve pa- rameters. We also study the systematics effects induced by the hypothesis of our model by building slitless simulations with the data of the integral field spectrograph survey MaNGA. These simu- lations suggest that the precise measurement of the kinematics parameters is difficult for most of the current slitless observations. Nethertheless, they point out that this forward model contrains significantly well the redshift. Finally, this work is promising for future large slitless spectroscopic surveys such as Euclid

Cette thèse présente une approche de modélisation inspirée par la robotique pour l'étude des changements conformationnels des protéines. Cette approche est basée sur une représentation mécanistique des protéines permettant l'application de méthodes efficaces provenant du domaine de la robotique. Elle fournit également une méthode appropriée pour le traitement « gros-grains » des protéines sans perte de détail au niveau atomique. L'approche présentée dans cette thèse est appliquée à deux types de problèmes de simulation moléculaire. Dans le premier, cette approche est utilisée pour améliorer l'échantillonnage de l'espace conformationnel des protéines. Plus précisément, cette approche de modélisation est utilisée pour implémenter des classes de mouvements pour l'échantillonnage, aussi bien connues que nouvelles, ainsi qu'une stratégie d'échantillonnage mixte, dans le contexte de la méthode de Monte Carlo. Les résultats des simulations effectuées sur des protéines ayant des topologies différentes montrent que cette stratégie améliore l'échantillonnage, sans toutefois nécessiter de ressources de calcul supplémentaires. Dans le deuxième type de problèmes abordés ici, l'approche de modélisation mécanistique est utilisée pour implémenter une méthode inspirée par la robotique et appliquée à la simulation de mouvements de grande amplitude dans les protéines. Cette méthode est basée sur la combinaison de l'algorithme RRT (Rapidly-exploring Random Tree) avec l'analyse en modes normaux, qui permet une exploration efficace des espaces de dimension élevée tels les espaces conformationnels des protéines. Les résultats de simulations effectuées sur un ensemble de protéines montrent l'efficacité de la méthode proposée pour l'étude des transitions conformationnelles / Proteins are biological macromolecules that play essential roles in living organisms. Un- derstanding the relationship between protein structure, dynamics and function is indis- pensable for advances in fields such as biology, pharmacology and biotechnology. Study- ing this relationship requires a combination of experimental and computational methods, whose development is the object of very active interdisciplinary research. In such a context, this thesis presents a robotics-inspired modeling approach for studying confor- mational changes in proteins. This approach is based on a mechanistic representation of proteins that enables the application of efficient methods originating from the field of robotics. It also provides an accurate method for coarse-grained treatment of proteins without loosing full-atom details.The presented approach is applied in this thesis to two different molecular simulation problems. First, the approach is used to enhance sampling of the conformational space of proteins using the Monte Carlo method. The modeling approach is used to implement new and known Monte Carlo trial move classes as well as a mixed sampling strategy. Results of simulations performed on proteins with different topologies show that this strategy enhances sampling without demanding higher computational resources. In the second problem tackled in this thesis, the mechanistic modeling approach is used to implement a robotics-inspired method for simulating large amplitude motions in proteins. This method is based on the combination of the Rapidly-exploring Random Tree (RRT) algorithm with Normal Mode Analysis (NMA), which allows efficient exploration of the high dimensional conformational spaces of proteins. Results of simulations performed on ten different proteins of different sizes and topologies show the effectiveness of the proposed method for studying conformational transitions

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce mémoire présente le développement d’un algorithme de cinématique d’interaction dans un contexte de coopération humain-robot. Cet algorithme vise à faciliter le contrôle de bras robotiques en évitant les collisions, singularités et limites articulaires du robot lorsqu’il est contrôlé par un humain. La démarche adoptée pour l’ateinte de l’objectif est le prototypage d’un algorithme sur une structure robotique simple, la validation expérimentale de ce prototype, la généralisation de l’algorithme sur une base robotique à 6 degrés de liberté et la validation de l’algorithme final en le comparant expérimentalement avec un algorithme similaire. Premièrement, le prototype d’algorithme est développé sur un bras robotisé Jaco, de l’entreprise Kinova, duquel le poignet a été retiré. Cette architecture permet le déplacement de l’effecteur selon 3 degrés de liberté en translation. L’algorithme développé sur cette base robotique permet : — l’évitement des collisions avec les objets présents dans l’environnement de travail, — l’évitement des limitations articulaires — et l’évitement des singularités propres à l’architecture du robot. Les performances de l’algorithme sont ensuite validées lors d’expérimentations dans lesquelles il a été démontré que l’algorithme a permis une réduction d’approximativement 50% du temps de complétion d’une tâche donnée tout en réduisant l’attention que l’utilisateur doit porter sur le contrôle du robot comparativement à l’attention portée à l’accomplissement de la tâche demandée. Ensuite, des améliorations sont apportées à l’infrastructure : — une méthode de numérisation de l’environnement de travail est ajoutée, — un meilleur algorithme de détection de collisions et de mesure des distances minimales entre les membrures du robot et les obstacles présents dans l’environnement de travail est implémenté. De plus, une méthode de balayage de l’environnement de travail à l’aide d’une caméra Kinect ainsi qu’un algorithme de segmentation de nuage de points en polygones convexes sont présentés. Des tests effectués avec l’algorithme prototype ont été effectués et ont révélé que bien que des imperfections au niveau de la méthode de balayage existent, ces modifications de l’infrastructure peuvent améliorer la facilité avec laquelle l’algorithme de cinématique d’interaction peut être implémenté. Finalement, l’algorithme implémenté sur une architecture robotique à six degrés de liberté est présenté. Les modifications et les adaptations requises pour effectuer la transition avec la version initiale de l’algorithme sont précisées. Les expérimentations ont validé la performance de l’algorithme vis à vis un autre algorithme de contrôle pour l’évitement de collisions. Elles ont démontré une amélioration de 25% en terme de temps requis pour effectuer une tâche donnée comparé aux temps obtenus avec un algorithme de ressorts-amortisseurs virtuels.