Dans cette thèse, nous avons adapté trois versions d'une chaine d'algorithmes de reconnaissance biométrique par l'iris appelés OSIRIS V2, V3, V4 qui correspondent à différentes implémentations de l'approche de J. Daugman pour les besoins d'une implémentation logicielle / matérielle. Les résultats expérimentaux sur la base de données ICE2005 montrent que OSIRIS_V4 est le système le plus fiable alors qu'OSIRIS_V2 est le plus rapide. Nous avons proposé une mesure de qualité de l'image segmentée pour optimiser en terme de compromis coût / performance un système de référence basé sur OSIRIS V2 et V4. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'implémentation de ces algorithmes sur des plateformes reconfigurables. Les résultats expérimentaux montrent que l'implémentation matériel / logiciel est plus rapide que l'implémentation purement logicielle. Nous proposons aussi une nouvelle méthode pour le partitionnement matériel / logiciel de l'application. Nous avons utilisé la programmation linéaire pour trouver la partition optimale pour les différentes tâches prenant en compte les trois contraintes : la surface occupée, le temps d'exécution et la consommation d'énergie

Le besoin d'améliorer la capacité des réseaux sans-fil, pour la transmission de données et les applications multimédia des systèmes de communications numériques, a amené à s'intéresser aux techniques de communication MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour augmenter le débit et la qualité des transmissions. Les systèmes MIMO se servent de réseaux d'antennes, à la fois à l'émission et à la réception d'une communication radio et ainsi exploitent la dimension spatiale pour la transmission de l'information. Les performances expérimentales d'un système de communication peuvent être évaluées en utilisant un simulateur matériel du canal de propagation. Cette thèse a pour objectif la conception et la réalisation de la partie numérique d'un simulateur matériel pour les canaux de propagation MIMO, pour les réseaux UMTS et WLAN. La simulation matérielle du canal radio assure la vitesse de traitement nécessaire. D'autres avantages de la simulation matérielle sont l'évaluation des performances en temps réel et la comparaison de divers systèmes de radiocommunication dans un canal de propagation variant dans le temps, dans les mêmes conditions de test. L'étude de faisabilité a permis d'établir deux approches, l'une pour les environnements indoor, l'autre pour les environnements outdoor. Les architectures numériques proposées ont été étudiées et implémentées dans un composant programmable FPGA. L'évaluation des performances et de la complexité montre l'intérêt de ces architectures. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet PRIR SIMPAA 2, avec le soutien de la Région Bretagne.

Dans un contexte comme celui des technologies aérospatiales, qui se caractérise non seulement par sa complexité, mais aussi par sa difficulté à régler les erreurs une fois que le véhicule est dans son environnement final, l’utilisation des simulateurs de satellite sur Terre pour le développement et la vérification de nouveaux systèmes offre une alternative intéressante aux simulations traditionnelles par ordinateur. Plus précisément, dans le cas de la commande d’attitude, la possibilité d’utiliser la dynamique réelle du satellite pendant les phases de conception et de développement présente des avantages tels que l’inclusion des systèmes difficiles à modéliser et la réduction du risque d’erreur et du temps de vérification. Cependant, cette technologie est encore récente et est de ce fait sujette à être améliorée afin d’offrir le meilleur scénario possible pour le développement des algorithmes de commande d’attitude de la prochaine génération de satellites. À cet effet, l’Université de Sherbrooke et la société NGC Aérospatiale Ltée. développent en partenariat le simulateur matériel de satellite LABSAT qui possède toutes les fonctionnalités d’un véhicule spatial incluant les actionneurs, capteurs, calculateurs embarqués et éléments flexibles. Le projet présenté dans ce document consiste à concevoir et mettre en œuvre sur le minisatellite LABSAT un premier système de navigation et commande permettant d’exécuter les manœuvres en orientation à partir d’une station de contrôle. À cette fin, les différents sous-systèmes du simulateur matériel ont été intégrés et des solutions en termes de calibration de capteurs, d’estimateur d’état et de systèmes de commande ont été analysées théoriquement et en simulation. Les techniques les plus appropriées ont été, par la suite, implémentées et évaluées sur le système final, dans le but de vérifier leur fonctionnement dans l’environnement réel.

Les systèmes sur puce sont constitués d'une partie matérielle (un circuit intégré) et d'une partie logicielle (un programme) qui utilise les ressources matérielles de la puce. La conséquence de cela est que le logiciel d'un système sur puce est intrinsèquement lié à sa partie matérielle. Les composants matériels d'accélération sont des facteurs clés de différenciation d'un produit à l'autre.Il est nécessaire de pouvoir simuler ces systèmes très tôt lors de leur conception; bien avant que la puce ne soit physiquement disponible, et même avant que la puce ne soit complètement spécifiée. Pour cela, un modèle du système sur puce est réalisé à l'aide du langage SystemC, au niveau d'abstraction TLM (Transaction Level Modeling). La partie matérielle d'un système sur puce est constituée de composants, qui s'exécutent en parallèle. Pour autant, la simulation avec le simulateur SystemC de référence est séquentielle. Ceci permet de garantir les bonnes propriétés des simulations SystemC, en particulier la reproductibilité et le confort d'écriture des modèles.Les travaux de cette thèse portent sur la simulation parallèle de modèles SystemC/TLM. L'objectif de l'exécution parallèle est d'accélérer les simulations dans un mode d'utilisation correspondant à la phase de développement, où il est primordial de disposer de simulations qui donnent rapidement un résultat. Afin de cerner le problème de performance remarqué sur des modèles complexes à STMicroelectronics, le premier travail de cette thèse a été d'analyser le profil d'exécution d'une étude de cas représentative de la complexité actuelle des platformes SystemC/TLM. Pour cette étude, nous avons développé un outil de collecte de traces et de visualisation. Les résultats de cette analyse ont indiqué que la lenteur d'exécution en simulation était due à la complexité des composants matériels d'accélération. L'étude de l'état de l'art en simulation parallèle de modèles SystemC nous a conduit à chercher d'autres pistes que celles actuellement existantes.Pour réaliser les composants matériels plus rapidement, et permettre d'augmenter la réutilisabilité de composants d'un projet à l'autre, le flot de conception HLS (High Level Synthesis) est utilisé, notamment à STMicroelectronics. Ce flot de conception permet, à partir de la description d'une fonction en C/C++, de générer un plan de composant matériel qui va réaliser la même fonction. La description des composants est découpée en sous-fonctions, individuellement plus simples. Afin d'obtenir de bonnes performances, les sous-fonctions sont assemblées en chaîne, à travers laquelle circulent les données à traiter. Il est indispensable de pouvoir réutiliser le code écrit pour la HLS dans les simulations SystemC/TLM@: cette situation deviendra de plus en plus fréquente, et il n'a pas assez de temps pour réécrire ces modèles dans ces projets courts.Nous avons développé une infrastructure de simulation parallèle permettant d'intégrer et de simuler efficacement des composants de traitement de données écrits pour la HLS. L'application de cette infrastructure à un exemple a permis d'accélérer l'exécution de la simulation d'un facteur 1.6 avec 4 processeurs. Au-delà de ce résultat, les conclusions principales de cette thèse sont que la simulation parallèle de modèles à haut niveau d'abstraction, en SystemC/TLM, passe par la combinaison de plusieurs techniques de parallélisation. Il est également important d'identifier les parties parallélisables dans des simulations industrielles, notamment pour les nouveaux défis que sont les simulations multi-physiques et l'internet des objets. / Systems on chip consists in a hardware part (an integrated circuit) and a software part (a program) that uses the hardware resources of the chip. Consequently, the embedded software is intrinsically connected to the chip hardware. Hardware acceleration components are key differentiation factors from one product to another.It is necessary to simulate systems on chip very early in the design flow; before the chip is physically available and even before its full specification. For such simulations, developers write a model of the system on chip in SystemC, at the TLM (Transaction Level Modeling) abstraction level. The hardware part of a chip consists in components that behave in parallel with each other. However, the reference SystemC simulator execute simulations sequentially. The sequential execution enables to keep good properties of SystemC simulations, namely reproducibility and ease of model writing.This thesis work address the parallel execution of SystemC/TLM simulations. The goal of parallel simulation is to speed up simulations, in the context of the model development, where it is important to quickly get results. In order to identify the performance problem of complex models at STMicroelectronics, the first step of this thesis was to analyse the execution profile of a case study, representative of the complexity of current platforms. For this study, we developed a trace recording and visualization tool. The results of this study indicated that the performance critical parts of the simulation are hardware acceleration components. Studying existing parallel simulation approaches led us to look for other parallel simulation techniques.To speed up the development of hardware acceleration components, and increase the reusability from one project to another, the HLS (High Level Synthesis) design flow is used, notably at STMicroelectronics. This design flow enables to generate a logically synthesizable model of a component, from a high level behavioral description in C/C++. This design flow also constraints the development: it is split in sub-functions, assembled in a pipeline. The code written for HLS must be re-used in SystemC/TLM models: this situation will become more and more frequent and there is no time to rewrite the models of such components within short delays.We developed a parallel simulation infrastructure enabling the integration and efficient simulation of hardware components written for HLS.We applied this infrastructure to an example platform, which resulted in speeding up the simulation. Beyond this result, one of the main conclusion of this thesis is that parallel simulation of abstract SystemC/TLM models will require to combine multiple parallelization techniques. Future research work can identify other types of potential parallelism in industrial models. This will become critical with the new challenges of simulation, as multi-physical simulations and internet of things.

Nous interagissons quotidiennement avec une multitude de matériaux et nous pouvons sans effort identifier les différents matériaux. Nous qualifions facilement des caractéristiques à des matériaux particuliers comme matte, doux, dur, lisse, brillant, par exemple. Ces caractéristiques sont basées sur l’aspect visuel du matériau et les estimations des propriétés physiques sous-jacentes du système visuel. Cependant, la perception est un problème mathématiquement sous-constraint. La quantité de lumière atteignant notre œil dépend des propriétés de réflectance de la matière, l’éclairage de la scène et la géométrie des objets. Estimer les propriétés intrinsèques des matériaux nécessite une clarification de ces différents éléments les uns des autres. Pour estimer propriétés, intrinsèques des matériaux, il faut les étudier indépendamment les uns des autres. Dans cette thèse, j’étudie l’influence d’une propriété intrinsèque particulière : les réflexions spéculaires. J’étudie l’influence du contexte sur la brillance perçue et le rôle des autres matériaux dans la scène observée. D’autres matériaux pourraient fournir des informations supplémentaires sur les caractéristiques de la scène qui guident et façonnent le percept final. Nos résultats expérimentaux confirment que : 1. La perception de la brillance est influencée par le point de vue et la direction d’illumination. La brillance perçue est bien corrélée avec les propriétés des réflexions spéculaires sur la surface. 2. La brillance perçue est largement affectée par d’autres matériaux sur la surface indiquant que les participants prennent les informations d’autres matériaux en compte. 3. La procédure d’estimation conjointe du maximum de vraisemblance peut être utilisées pour quantifier précisément les effets contextuels dans la perception matérielle. La luminance et interagissent brillant physique et en même temps une influence sur la perception de l’autre. En conclusion, cette thèse met en évidence l’importance du contexte sur la brillance perçue. Je soutiens que la définition de constance de brillance néglige largement l’influence du contexte. La capacité du système visuel pour récupérer la réflectance de surface a été largement testée et une absence de constance de brillance ont été trouvé. Cependant, le jugement d’une seule surface dans l’isolement ne correspond pas à une tâche naturelle. D’autres matériaux et objets de la scène apportent des informations supplémentaires sur l’environnement au système visuel. Le percept final de la brillance est formé par des informations disponibles à partir de ces matériaux dans la même scène. / We interact with a multitude of different materials on a daily basis and we can effortless identify different materials. We easily add labels to particular materials like soft, hard, smooth, shiny, matte, for example. These labels are based on the visual appearances of the materials and the visual system's estimations of the underlying physical properties. However, mathematically material perception is an underconstrained problem. The light reaching our eye depends on the reflectance properties of the material, the illumination in the scene and the object's geometry. Estimating the intrinsic properties of materials requires to disambiguate these different factors from one another. In this thesis I will focus on one particular intrinsic property: Gloss. I will focus on the influence of the context onto perceived gloss and the role of other materials in the observed scene. Additional materials might provide supplementary information about the scene characteristics that guide and shape the final percept. Our experimental results confirm that: 1. Gloss perception is influenced by the viewpoint and the illumination direction. Perceived gloss correlates well with simple highlight properties on the surface. 2. Perceived gloss is largely influenced by other materials on the surface. Surfaces with two materials generate contrasting perceptual effects. 3. Maximum likelihood conjoint measurements can be used to precisely quantify contextual effects in material perception. Both, luminance and physical gloss interact and simultaneously influence each other. In conclusion, this thesis highlights the importance of the context onto perceived gloss. I argue that the definition of gloss constancy broadly neglects the influence of the context. The visual system's ability to recover the surface reflectance has extensively been tested and lacks of gloss constancy have been found. However, the judgement of a single surface in isolation does not correspond to a natural task. Other materials and objects in the scene provide the visual system with rich information about the environment (e.g. the illumination) and the final percept of the surface is formed by the additional information from these materials in the same scene.

Les procédures chirurgicales intraoculaires sont des procédures difficiles par la précision qu’elles demandent, on parle de microchirurgie, mais aussi par la difficulté et la faible qualité de visualisation des tissus à traiter. En effet, dans la plupart des procédures intraoculaires le chirurgien utilise uniquement un microscope ophtalmologique qui ne permet la visualisation des tissus que par la pupille du patient et offre une perception limitée de la profondeur. La Tomographie en Cohérence Optique (OCT) fournit des images en profondeur des tissus sains de manière non invasive, elle est utilisée couramment en diagnostic ophtalmologique et est de plus en plus utilisée intra-opérativement. Dans cette thèse nous allons présenter deux systèmes OCT intra-opératifs qui visent à assister les chirurgiens sur deux procédures intraoculaires, la vitrectomie et l’injection sous-rétinienne. Pour ces deux projets nous avons utilisé le matériel chirurgical utilisé cliniquement pour plusieurs raisons : s’assurer d’utiliser des outils adéquats (dimensions, efficacité, sécurité) pour la procédure, garder des outils que les chirurgiens utilisent régulièrement et avec lesquels ils sont familiers et limiter les coûts de développement. Pour le système OCT nous avons utilisé des sondes OCT en fibre optique car elles sont flexibles, bon marché et de petit diamètre. Leur focalisation peut également être modifiée dépendamment de l’application avec une fibre optique GRIN à leur extrémité pour augmenter le signal OCT. Nous avons ainsi attaché à ces outils chirurgicaux des sondes OCT en fibre optique. Pour le projet portant sur les injections sous-rétiniennes il a fallu dans un premier temps développer des sondes OCT avec des diamètres plus petits que ceux existant. Pour ce faire nous avons développé une méthode permettant de réduire le diamètre des sondes avec de l’acide fluorhydrique et grâce à un design permettant de conserver les propriétés optiques des sondes. Ce travail est présenté dans le premier article. Le second article présente un système permettant de guider les injections sous-rétiniennes. L’injection sous-rétinienne est une intervention chirurgicale de haute précision visant à restaurer et/ou préserver la vision des patients souffrant de maladies rétiniennes. Néanmoins, l’injection sous-rétinienne reste à la limite des capacités physiologiques humaines en raison des tremblements de la main et peut être compromise par le reflux du médicament si l’injection n’est pas assez profonde dans la rétine. Nous avons développé un système pour guider l’injection avec un micromanipulateur et donner des informations précises sur la profondeur au chirurgien avec l’OCT intra-opératif. Après avoir miniaturisé une sonde OCT en fibre optique avec la méthode présentée dans l’article 1 nous avons pu l’insérer dans une canule utilisée cliniquement. La sonde couplée à un système OCT que nous avons développé acquiert un signal A-scan qui va permettre de connaitre la distance entre la canule et la rétine mais aussi de sélectionner la profondeur de l’injection dans les couches rétiniennes. La canule est attachée à un micromanipulateur qui assure son déplacement dans l’œil. Une image M-scan est construite avec le signal OCT et le chirurgien peut directement sélectionner sur l’image la profondeur de l’injection. Nous avons développé l’interface sur Labview. Après avoir sélectionné la cible de l’injection le programme de guidage va déplacer la canule et injecter le volume adéquat grâce à une pompe contrôlable. Nous avons validé notre système de guidage sur des yeux de porcs ex-vivo. Sur 40 injections 38 présentaient un décollement rétinien ciblé et localisé, preuve de la réussie de l’injection rétinienne ce qui représente un taux de succès de 95% (CI : 83.1 – 99.4). Nous avons aussi grâce à un algorithme de traitement de l’image calculé le volume présent sous la rétine après l’injection que nous avons comparé au volume injecté. Nous avons ainsi trouvé que 75% du volume initialement injecté se retrouve bien sous la rétine. Le troisième article présente un système permettant d’arrêter automatiquement le vitrecteur lors d’une vitrectomie pour réduire les dommages accidentels sur la rétine. La survenue de déchirures rétiniennes iatrogèniques dans la vitrectomie par la pars plane est une complication qui compromet l’efficacité globale de la chirurgie. Un certain nombre de déchirures rétiniennes iatrogènes se produisent lorsque la rétine est coupée accidentellement par le vitrecteur. Nous avons développé un vitrecteur intelligent capable de détecter en temps réel une coupure rétinienne accidentelle et de désactiver rapidement la machine de vitrectomie pour les prévenir. Ce vitrecteur intelligent est composé d’une sonde OCT attachée au vitrecteur et va avoir comme rôle de détecter si le vitrecteur aspire la rétine et va endommager ces tissus sains. La sonde OCT agit comme un détecteur de présence devant l’ouverture du vitrecteur, ceci en comparant un signal de référence avec le signal en direct. Cette comparaison de signal OCT va commander un bras robotique pour actionner la pédale d’arrêt du vitrecteur. Ainsi le chirurgien n’a pas besoin d’interpréter un signal, la décision d’arrêt du vitrecteur dû à la présence de la rétine est prise automatiquement. Ceci va permettre de réduire grandement, de 300 ms à 29 ms, le délai de la prise de décision d’arrêt du vitrecteur précédemment limité par le temps de réaction du chirurgien. Nous avons développé les sondes OCT, le système OCT ainsi que l’algorithme d’arrêt automatique de ce système. Nous avons validé sur des yeux porcins in-vivo, deux chirurgiens ont utilisé notre système en essayant d’endommager les tissus rétiniens. 70% (CI : 56.39 – 82.02) des tentatives de dommages rétiniens des chirurgiens furent atténuées ou empêchées par notre système. Ce projet a abouti au dépôt d’un brevet ("Smart Vitrector", Provisional patent application, US 63109040). / Intraocular surgical procedures are difficult procedures because of the precision they require, they are often referred as microsurgery, but also by the little information available to the surgeon. In most intraocular procedures the surgeon only uses an ophthalmic microscope which allows visualization of tissue just through the patient’s pupil and offers limited depth perception. Optical Coherence Tomography (OCT) provides in-depth images of healthy tissue in a non-invasive manner, is commonly used in ophthalmologic diagnostics, and is increasingly used intraoperatively. In this thesis we will present two intraoperative OCT systems that aim to assist surgeons with two intraocular procedures, vitrectomy and subretinal injection. For these two projects we used the surgical equipment used clinically for several reasons : to make sure to use adequate tools (dimensions, efficiency, safety) for the procedure, to keep tools that surgeons use regularly and with which they are familiar and limit development costs. For the OCT system we used fiber optic OCT probes as they are flexible, cheap and small in diameter. Their focus can also be modified, depending the application, with a GRIN fiber at their tip to increase the OCT signal. We have attached optical fiber OCT probes to these surgical tools. For the subretinal injections project it was first necessary to develop OCT probes with smaller diameters than existing ones. To do this, we have developed a method to reduce the diameter of the probes with hydrofluoric acid and a design to maintain the optical properties of the probes. This work is presented in the first article. The second article presents a system for guiding subretinal injections. Subretinal injection of drugs is a challenging surgical intervention aiming to restore and/or preserve the vision of patients suffering from retinal diseases. Nevertheless, the subretinal injection remains at the edge of human physiological capacity because of hand tremor and can be mitigated by drug reflux if the injection is not deep enough in the retina. We developed a system to guide the injection with a micromanipulator and give precise depth information to the surgeon with intraoperative OCT. To do so we first miniaturized an optical fiber OCT probe with the method presented in article 1, we were able to insert it into a cannula used clinically. The probe coupled to an OCT system that we have developed acquires an A-scan signal which enables to know the distance between the cannula and the retina but also to select the depth of the injection into the retinal layers. The cannula is attached to a micromanipulator that moves it inside the eye. An M-scan image is built with the OCT signal and the surgeon can directly select on the image the depth of the injection. We developed the interface on Labview. After selecting the injection target, the guidance program will move the cannula and inject the appropriate volume using a controllable pump.We have validated our guidance system on pig eyes ex-vivo. Out of 40 injections, 38 presented a retinal detachment, proof of a successful retinal injection, which represents a success rate of 95% (CI : 83.1 – 99.4). Thanks to an image processing algorithm, we also calculated the bleb volume under the retina after the injection, which we compared to the initial injected volume. We have found that 75% of the injected volume ends in the subretinal space. The third article presents for automatically stopping the vitrector during a vitrectomy. The occurrence of iatrogenic retinal breaks in pars plana vitrectomy is a complication that compromises the overall efficacy of the surgery. A subset of iatrogenic retinal break occurs when the retina is cut accidentally by the vitrector. We developed a smart vitrector that can detect in real-time potential accidental retinal cut and activate promptly a vitrectomy machine to prevent them. To do so an OCT probe is attached to the vitrector and will have the role of detecting if the vitrector sucks the retina and will damage these healthy tissues. The OCT probe acts as a presence detector in front of the vitrector opening, by comparing a reference signal with the live signal. This OCT signal comparison will control a robotic arm to operate the vitrector stop pedal. Thus, the surgeon does not need to interpret a signal, the decision to stop the vitrector due to the presence of the retina is taken automatically. This will greatly reduce, from 300 ms to 29 ms, the delay to stop the vitrector previously limited by the reaction time of the surgeon. We have developed the OCT probes, the OCT system, and the automatic shutdown algorithm for this system. We validated our system on in-vivo porcine eyes, two surgeons used the modified vitrector trying to damage retinal tissue. 70% (CI : 56.39 – 82.02) of surgeons’ retinal damage attempts were mitigated or prevented by our system. This project resulted in a patent ("Smart Vitrector", Provisional patent application, US 63109040).

Les revêtements polymères stimuli-sensibles permettent d'ajuster les propriétés de surface par des stimuli externes (i.e. des variations des conditions environnementales) via des changements dans leur conformation physique, la chimie de surface, ou les deux. Cette capacité permet leur utilisation comme éléments fonctionnels dans les nanotechnologies tels que des valves dans les dispositifs microfluidiques, comme lubrifiants, ou comme substrats pour la culture de tissus biologiques. Cependant, de tels revêtements souffrent généralement d'un inconvénient majeur, afin de déclencher un changement de la conformation physique du revêtement polymère (gonflement) via un stimulus, il est nécessaire de changer au moins une de ses propriétés physico-chimiques qui produit des variations simultanées des propriétés de surface (i.e. potentiel de surface, adhésion). Ce travail vise à surmonter cette limitation en étudiant une nouvelle génération de revêtements hiérarchiques fonctionnels dont les propriétés physiques et la chimie de surface peuvent être modulées indépendamment et de manière réversible en utilisant différents stimuli tels que la température et le pH. Les revêtements hiérarchiques sont constitués de matrices des microgels à base de poly-(N-isopropylacrylamide) bidimensionnelles fonctionnalisés en surface avec des polymères dont les dimensions caractéristiques et les propriétés de surface peuvent être contrôlées indépendamment par différents stimuli en fonction des propriétés de surface souhaitées. Ce travail démontre que les dimensions caractéristiques (i.e. diamètre hydrodynamique, épaisseur de couche) peuvent en effet être contrôlées sans affecter les propriétés de surface (i.e. potentiel de surface, adhérence) des réseaux de microgels fonctionnalisés. La réactivité des revêtements fonctionnels a été étudiée à l'aide de la Diffusion Dynamique de la Lumière et de l'Appareil de Forces de Surface permettant de déterminer avec précision l'adhésion, la friction, le potentiel de surface, le diamètre hydrodynamique et l'épaisseur de la couche sous différents stimuli. Enfin, la capacité de ces substrats fonctionnels pour produire un détachement cellulaire déclenché par des stimuli dans le cadre de la culture cellulaire a été étudiée. / Stimuli-responsive polymer coatings enable surface properties to be tuned by external stimuli (i.e. variations of environmental conditions) via changes in their physical conformation, surface chemistry, or both. This capacity enables their use as functional elements in nanotechnologies such as valves in microfluidic devices, as lubricants, or as substrates for culture of biological tissues. However, such coatings usually suffer from a major shortcoming, in order to trigger a change in the physical conformation of the polymer coating (swelling) via a stimulus, it is necessary to change at least one of its physicochemical properties which results in simultaneous variations of the surface properties (i.e. surface potential, adhesion). The present work aims to overcome this limitation by investigating a new generation of responsive hierarchical coatings whose physical properties and surface chemistry can be tuned independently and reversibly using different stimuli such as temperature and pH. The hierarchical coatings consist of two-dimensional poly-(N-isopropylacrylamide) microgel arrays surface-functionalized with polymers whose characteristic dimensions and surface properties can be independently controlled by different stimuli according to the desired surface properties. This work shows how the characteristic dimensions (i.e. hydrodynamic diameter, layer thickness) can indeed be controlled without affecting the surface properties (i.e. surface potential, adhesion) of the functionalized microgel arrays. The responsiveness of the functional coatings was investigated using Dynamic Light Scattering and the Surface Forces Apparatus allowing adhesion, friction, surface potential, hydrodynamic diameter, and layer thickness to be accurately determined under different stimuli. Finally, the ability of these coatings as functional substrates to produce stimuli-triggered cell detachment during cell culture was studied.

Cette thèse étudie l'amélioration des performances électrochimiques des membranes de polypyrrole (PPy) pour les applications de stockage d'énergie dans les supercondensateurs. Dans la première étude, une membrane souple autonome de PPy a été synthétisée par polymérisation interfaciale, en utilisant l'orange de méthyle (MO) et le chlorure de fer comme nano-template et oxydant. L'incorporation de MO et le traitement ultérieur à l'acide sulfurique ont entraîné une augmentation substantielle de la capacitance spécifique de la membrane, passant de 96 mF/cm² à 880 mF/cm², tandis que la résistivité de transfert de charge diminuait d'environ 17 Ω à 3 Ω. Diverses techniques analytiques, notamment la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et la voltampérométrie cyclique (CV), ont été utilisées pour évaluer les propriétés des membranes. Il a été révélé que la présence de MO et le traitement acide facilitaient le processus de transfert de charge, améliorant finalement les performances de stockage de charge de la membrane PPy. Dans la deuxième étude, l'efficacité de différents dopants, notamment le sulfonate de polystyrène (PSS), les anions chlore, le docusate de sodium (AOT) et l'acide camphorsulfonique (CSA), pour le dopage d'une membrane PPy sans métal lors de la polymérisation chimique, a été étudiée. Les membranes résultantes présentaient des capacitances spécifiques distinctes de 19179, 13264, 7238 et 4458 mF/cm² pour les membranes dopées à AOT, CSA, Cl- et PSS, respectivement. La rétention de capacité après 1000 cycles variait de 61% à 83%, selon le dopant utilisé. De plus, la membrane PPy-AOT a affiché des densités d'énergie et de puissance exceptionnelles, attribuées à sa structure nanofibreuse unique facilitée par l'AOT en tant qu'agent tensioactif. L'étude suggère que la membrane PPy-AOT est un candidat prometteur pour la construction d'électrodes dans le pseudo supercondensateurs en raison de sa capacitance spécifique élevée et de sa facilité de préparation. Enfin, la recherche étudie la pseudocapacitance de la membrane PPy-AOT et son utilisation en tant qu'électrodes dans un supercondensateur flexible. L'utilisation d'un électrolyte en gel comprenant 3% d'alcool polyvinylique dissous dans de l'acide sulfurique 1M (PVA-H₂SO₄) a encore amélioré les performances du dispositif. Le supercondensateur fabriqué a montré une capacité spécifique importante de 4817.9 mF/cm², une densité d'énergie de 0.4 mWh/cm² ou 76.4 Wh/kg et une densité de puissance de 0.6 mW/cm² ou 914.3 W/kg, ainsi qu'une excellente stabilité de cycle et une rétention de capacité de 96% après 1000 cycles. La caractérisation électrochimique et analytique complète, comprenant la voltampérométrie cyclique (CV), la spectroscopie électrochimique d'impédance (IES) et diverses analyses structurales, a validé la stabilité électrique exceptionnelle et la capacité spécifique fiable de la membrane PPy-AOT dans une zone restreinte de 0.785 cm². Ces résultats soulignent collectivement le potentiel des membranes à base de PPy pour des applications de supercondensateurs flexibles haute performance. / This thesis investigates the enhancement of the electrochemical performance of polypyrrole (PPy) membranes for energy storage applications in supercapacitors. In the first study, a free-standing soft PPy membrane was synthesized through interfacial polymerization, utilizing methyl orange (MO) and ferric chloride as the nano-template and oxidant. The incorporation of MO and the subsequent treatment with sulfuric acid led to a substantial increase in the specific capacitance of the membrane, improving from 96 mF/cm² to 880 mF/cm², while the charge transfer resistivity decreased from approximately 17 Ω to 3 Ω. Various analytical techniques, including scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and cyclic voltammetry (CV), were employed to evaluate the properties of the membranes. It was revealed that the presence of MO and the acid treatment facilitated the charge transfer process, ultimately enhancing the charge storage performance of the PPy membrane. In the second investigation, the efficacy of different dopants, including polystyrene sulfonate (PSS), chlorine anions, docusate sodium (AOT), and camphor sulfonic acid (CSA), in doping a metal-free PPy membrane during chemical polymerization was studied. The resulting membranes exhibited distinct specific capacitances of 19179, 13264, 7238, and 4458 mF/cm² for the AOT, CSA, Cl-, and PSS doped membranes, respectively. The capacity retention after 1000 cycles ranged from 61% to 83%, depending on the dopant used. Moreover, the PPy-AOT membrane displayed exceptional energy and power densities, attributed to its unique nano-fibrous structure facilitated by AOT as a surfactant. The study suggests that the PPy-AOT membrane is a promising candidate for constructing electrodes in pseudosupercapacitors due to its high specific capacitance and ease of preparation. Lastly, the research investigates the pseudocapacitance of the PPy-AOT membrane utilized as electrodes in a flexible supercapacitor. The use of a gel electrolyte comprising 3% polyvinyl alcohol (PVA) dissolved in 1M sulfuric acid (PVA-H₂SO₄) further enhanced the device performance. The fabricated supercapacitor demonstrated a significant areal-specific capacitance of 4817.9 mF/cm², energy density of 0.4 mWh/cm² or 76.4 Wh/Kg, and power density of 0.6 mW/cm² or 914.3 W/Kg along with the excellent cycle stability and capacity retention of 96% after 1000 cycles. The comprehensive electrochemical and analytical characterization, including cyclic voltammetry (CV), impedance electrochemical spectroscopy (IES), and various structural analyses, validated the exceptional electrical stability and reliable specific capacitance of the PPy-AOT membrane. These findings collectively underscore the potential of the PPy-based membranes for high-performance flexible supercapacitor applications.

Les télescopes de grande envergure requièrent des nouvelles technologies ayant un haut niveau de maturité technologique. Le projet implique la création d’un banc de test d’optique adaptative pour l’évaluation de la performance sur le ciel de dispositifs connexes. Le banc a été intégré avec succès à l’observatoire du Mont Mégantic, et a été utilisé pour évaluer la performance d’un senseur pyramidal de front d’onde. Le système a permis la réduction effective de la fonction d’étalement du point d’un facteur deux. Plusieurs améliorations sont possibles pour augmenter la performance du système. / New technologies for large scale telescope projects need to reach a high level of technological maturity before they can be integrated. The project involves the creation of an adaptive optics test bench for evaluating the onsky performance of adaptive optics related devices. The test bed was successfully installed on the Mont Mégantic observatory, and was used to evaluate the performance of a pyramid wavefront sensor. The system effectively halved point-spread function size. Several improvements to the system are possible to improve performance.

L'arrivée des nouvelles technologies et des ordinateurs en plus des problématiques grandissantes reliées à la qualité de l'eau ont fait que le monitorage dans le domaine de la qualité de l'eau a littéralement explosé au cours des dernières décennies. Le monitorage consiste à effectuer le suivi d'un système et de faire la conservation des données récoltées. Il est habituellement réalisé à l'aide de capteurs. Ces derniers peuvent générer une importante quantité de données. Dans certains cas, la fréquence d'échantillonnage peut atteindre plusieurs mesures à la seconde. Nonobstant la quantité de données recueillies, il faut en connaître la qualité afin de les utiliser. Quels sont les outils disponibles pour caractériser les capteurs? Quelles informations fournissent-ils? Est-ce que ces dernières sont suffisantes? Certains protocoles pour évaluer la performance des capteurs sont disponibles. Le protocole ISO 15839:2003, Qualité de l'eau - Matériel d'analyse/capteurs directs pour l'eau - Spécifications et essais de performance, est le plus complet à ce jour. Il permet d'évaluer la performance des capteurs sous des conditions de laboratoire. Néanmoins, est-ce que de soumettre les capteurs à ce protocole permet aux usagers de choisir le capteur le plus approprié? Afin de répondre à cette question, la première étape de l'étude consistait à passer en revue les capteurs selon les technologies disponibles sur le marché. L'accent fut mis sur les substances suivantes : nitrate, nitrite, ammonium, phosphore, oxygène dissout et la turbidité. La revue a révélé que les fabricants ne fournissent pas ou très peu de spécifications découlant du protocole ISO 15839:2003. La deuxième étape fut de procéder à une revue critique du protocole ISO 15839:2003 afin de faire ressortir les raisons pour lesquelles les fabricants n'en fournissent pas les spécifications et de vérifier si ces dernières sont adéquates pour choisir le bon capteur pour une application précise. Les spécifications résultant de l'application du protocole ISO 15839:2003 et la façon dont elles sont présentées ne permettent pas aux usagers de choisir le capteur le plus approprié pour leur application. Le protocole devrait davantage être orienté sur les besoins des usagers plutôt que sur ceux des fabricants. À l'instar des profiles d'exactitudes (Hubert et al., 2004), le protocole ISO 15839:2003 devrait chercher davantage à présenter lesrésultats sous forme graphique. Le protocole ISO 15839:2003 procure les spécifications des capteurs sous des conditions de laboratoire, mais il contient aussi une section traitant des spécifications sous des conditions de terrain (field conditions). Toutefois, les résultats sont subordonnés au temps et à l'emplacement où les tests sont effectués, ce qui rend impossible la comparaison des résultats provenant de différents capteurs. La revue de littérature a démontré la nécessité de développer un protocole de tests se faisant sous des conditions de terrain reproduites de façon standard. Deux interférences rencontrées sur le terrain furent reproduites en laboratoire : la turbidité ainsi que les bulles d'air retrouvées dans les bassins d'aération des usines de traitement des eaux usées. Les résultats ont démontré que ces deux interférences amplifient le bruit de mesure et génèrent un biais. En quantifiant le bruit de mesure et le biais les capteurs peuvent être comparés, ce qui permet aux usagers de sélectionner le capteur le plus approprié.