Cette thèse concerne l'ingénierie des systèmes complexes à partir d'une dynamique souhaitée. En particulier, nous nous intéressons aux populations d'oscillateurs et aux réseaux de régulation génétique. Dans une première partie, nous nous fondons sur une hypothèse, introduite en neurosciences, qui souligne le rôle de la synchronisation neuronale dans le traitement de l'information cognitive. Nous proposons de l'utiliser sur un plan plus large pour étudier le traitement de l'information par des populations d'oscillateurs. Nous discutons des isochrons de quelques oscillateurs classés selon leurs symétries dans l'espace des états. Cela nous permet d'avoir un critère qualitatif pour choisir un oscillateur. Par la suite, nous définissons des procédures d'impression, de lecture et de réorganisation de l'information sur une population d'oscillateurs. En perspective, nous proposons un système à couches d'oscillateurs de Wilson-Cowan. Ce système juxtapose convenablement synchronisation et désynchronisation à travers l'utilisation de deux formes de couplage: un couplage continu et un couplage par pulsation. Nous finissons en proposant une application de ce système: la détection de contours dans une image. En deuxième partie, nous proposons d'utiliser une approche par contraintes pour identifier des réseaux de régulation génétique à partir de connaissances partielles sur leur dynamique et leur structure. Le formalisme que nous utilisons est connu sous le nom de réseaux d'automates booléens à seuil ou réseaux Hopfield-semblables. Nous appliquons cette méthode, afin de déterminer le réseau de régulation de la morphogenèse florale d'Arabidopsis thaliana. Nous montrons l'absence d'unicité des solutions dans l'ensemble des modèles valides (ici, 532 modèles). Nous montrons le potentiel de cette approche dans la détermination et la classification de modèles de réseaux de régulation génétique. L'ensemble de ces travaux mène à un certain nombre d'applications, en particulier dans le développement de nouvelles méthodes de stockage de l'information et dans le design de systèmes de calcul non conventionnel.

Dans ce travail, on propose un nouveau package Sim.DiffProc pour la simulation des processus de diffusion, muni d'une interface graphique (GUI), sous langage R. Le développement de l'outil informatique (logiciels et matériels) ces dernières années, nous a motivé de réaliser ce travail. A l'aide de ce package, nous pouvons traiter beaucoup de problèmes théoriques difficiles liée à l'utilisation des processus de diffusion, pour des recherches pratiques, tels que la simulation numérique trajectoires de la solution d'une ÉDS. Ce qui permet à beaucoup d'utilisateurs dans différents domaines à l'employer comme outil sophistiqué à la modélisation de leurs problèmes pratiques. Le problème de dispersion d'un polluant, en présence d'un domaine attractif que nous avons traité dans ce travail en est un bon exemple. Cet exemple montre l'utilité et l'importance pratique des processus de diffusion dans la modélisation simulation de situations réelles complexes. La fonction de densité de la variable aléatoire tau(c) "instant de premier passage" de la frontière de domaine d'attraction peut être utilisée pour déterminer le taux de concentration des particules polluantes à l'intérieur du domaine. Les études de simulation et les analyses statistiques mises en application à l'aide du package Sim.DiffProc, se présentent efficaces et performantes, comparativement aux résultats théoriques explicitement ou approximativement déterminés par les modèles de processus de diffusion considérés.

L'enjeu des travaux effectués au cours de cette thèse est l'extraction in silico de molécules potentiellement intéressantes dans le processus d'inhibition du récepteur tyrosine kinase c-Met. La faculté de cette protéine à interagir dans les phénomènes d'embryogenèse et de réparation tissulaires rendent son inhibition cruciale dans les traitements contre les développements tumoraux où c-Met se trouve impliquée. Dans ce but, la stratégie que nous avons employée implique l'utilisation de plusieurs méthodes in silico de conception rationnelle de médicaments. Nous avons utilisé comme support les multiples structures cristallographiques publiées sur la ProteinData Base (PDB). Un travail de modélisation par homologie fut tout d'abord nécessaire pour combler les lacunes des structures cristallographiques collectées. Afin d'échantillonner au mieux l'espace conformationnel du récepteur kinase c-Met et de caractériser sa flexibilité, une longue campagne de simulation de Dynamique Moléculaire (DM) fut menée concernant les formes apo et holo des structures cristallographiques disponibles. Pour compléter ces simulations, une partie du travail consista à utiliser également la méthode des modes normaux de vibration (NM). De ces 2 approches (DM et NM), nous avons extrait un ensemble de 10 conformères considérés comme les plus représentatifs de l'espace conformationnel simulé pour la kinase c-Met et avons proposé un mode de fonctionnement de ce récepteur. Utilisant les conformations extraites de l'échantillonnage conformationnel, nous avons ensuite mené une importante campagne de criblage virtuel sur plusieurs chimiothèques constituant au total environ 70.000 composés. L'analyse des résultats de l'arrimage moléculaire nous a conduits à la sélection de plusieurs molécules intéressantes possédant théoriquement une bonne affinité pour la kinase c-Met. Ces molécules ont été soumises aux tests expérimentaux effectués par l'équipe de biologistes associée à nos travaux.

Nous nous interessons à la modélisation des interactions fluide-structure entre un fluide visqueux incompressible et une structure pouvant être déformable. Apres une approche des méthodes de type frontière immergée existantes, nous présentons une nouvelle approche : la méthode IPC (Image Point Correction) que nous validons ensuite sur différents cas tests. Puis, nous l'appliquons à la simulation 2D puis 3D de la nage d'un poisson grâce à une reconstruction utilisant l'outil du squelette.

Ce travail propose des méthodes numériques pour la résolution du problème de Stokes en géométrie complexe pour des fluides non homogènes. Ce modèle décrit l'écoulement d'un fluide très visqueux, incompressible, dont la viscosité n'est pas uniforme mais dépend de la concentration d'un certain agent. D'un point de vue mathématique, il s'agit de résoudre un problème elliptique couplé à une équation de convection-diffusion, qui génèrent une dynamique non linéaire. L'algorithme de résolution est basé sur une discrétisation hybride utilisant une grille et des particules. Des algorithmes à pas fractionnaires permettent de séparer la résolution des différents phénomènes pour profiter des avantages spécifiques à ces discrétisations: méthodes lagrangiennes adaptées à la convection et méthodes eulériennes pour la diffusion. Une méthode de pénalisation permet de gérer efficacement l'interaction entre le fluide et la géométrie mobile du domaine. Une méthode de projection itérative est développée pour ce problème quasi-statique, cela permet d'utiliser des solveurs rapides propices aux calculs en grande dimension. Plusieurs cas tests viennent valider la convergence, la conservation et les performances de l'algorithme en 3D. Ce travail s'inscrit dans le contexte de l'étude de l'écoulement du mucus pulmonaire autour des cellules épithéliales ciliées tapissant les bronches. L'efficacité du transport du mucus, assurant la capture et l'expectoration des agents pathogènes, est étudiée en fonction des paramètres biologiques. D'autres simulations d'un micro-nageur et d'écoulements en milieux poreux complètent cette étude.

Le développement de la chirurgie laparoscopique entraîne de nouveaux défis pour le chirurgien, sa perception visuelle et tactile du site opératoire étant modifiée par rapport à son expérience antérieure. De nombreux dispositifs ont été développés autour de la procédure chirurgicale afin d'aider le chirurgien à réaliser le geste avec la meilleure qualité possible. Ces dispositifs visent à permettre au chirurgien de mieux percevoir le contexte dans lequel il intervient, à planifier de façon optimale la stratégie opératoire et à l'assister lors de la réalisation de son geste. La conception d'un système d'analyse de la procédure chirurgicale, permettant d'identifier des situations à risque et d'améliorer la qualité du geste, est un enjeu majeur du domaine des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur. L'évaluation de la qualité du geste explore plusieurs composantes de sa réalisation : les habiletés techniques du chirurgien, ainsi que ses connaissances théoriques et sa capacité de jugement. L'objectif de cette thèse était de développer une méthode d'évaluation de la qualité technique des gestes du chirurgien à partir de connaissances à priori, qui soit adaptée aux contraintes spécifiques du bloc opératoire sans modifier l'environnement du chirurgien. Cette évaluation s'appuie sur la définition de métriques prédictives de la qualité du geste chirurgical, dérivées des trajectoires des instruments au cours de la procédure. La première étape de ce travail a donc consisté en la mise au point d'une méthode de suivi de la position des instruments laparoscopiques dans la cavité abdominale au cours de la chirurgie, à partir des images endoscopiques et sans ajout de marqueurs. Ce suivi combine des modèles géométriques de la caméra, de l'instrument et de son orientation, ainsi que des modèles statistiques décrivant les évolutions de cette dernière. Cette méthode permet le suivi de plusieurs instruments de laparoscopie dans des conditions de banc d'entraînement, en temps différé pour le moment. La seconde étape a consisté à extraire des trajectoires des paramètres prédictifs de la qualité du geste chirurgical, à partir de régressions aux moindres carrés partiels et de classifieurs k-means. Plusieurs nouvelles métriques ont été identifiées, se rapportant à la coordination des mains du chirurgien ainsi qu'à l'optimisation de son espace de travail. Ce dispositif est destiné à s'intégrer dans un système plus large, permettant d'apporter au chirurgien, en temps réel, des informations contextualisées concernant son geste, en fusionnant par exemple les données issues de la trajectoire à des données multi-modales d'imagerie per-opératoire.

Ces 50 dernières années, la majorité des paramètres de conception des moteurs cryotechniques ont été ajustés en l'absence d'une compréhension détaillée de la dynamique de flamme, en raison des limites des diagnostiques expérimentaux et des capacités de calcul. L'objectif de cette thèse est de réaliser des simulations numériques instationnaires d'écoulements réactifs transcritiques de haute fidélité, pour permettre une meilleure compréhension de la dynamique de flamme dans les moteurs cryotechniques et finalement guider leur amélioration. Dans un premier temps, la thermodynamique gaz-réel et son impact sur les schémas numériques sont présentés. Comme la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) comporte des équations filtrées, les effets de filtrages induits par la thermodynamique gaz-réel sont ensuite mis en évidence dans une configuration transcritique type et un opérateur de diffusion artificiel, spécifique au gaz réel, est proposé pour lisser les gradients transcritiques en SGE. Dans un deuxième temps, une étude fondamentale du mélange turbulent et de la combustion dans la zone proche-injecteur des moteurs cryotechniques est menée grâce à la Simulation Numérique Directe (SND). Dans le cas non-réactif, les lâchers tourbillonnaires dans le sillage de la lèvre de l'injecteur jouent un rôle majeur dans le mélange turbulent et provoquent la formation de structures en peigne déjà observées expérimentalement dans des conditions similaires. Dans le cas réactif, la flamme reste attachée à la lèvre de l'injecteur, sans extinction locale, et les structures en peigne disparaissent. La structure de flamme est analysée et différents modes de combustion sont identifiés. Enfin, une étude de flamme-jet transcritique H2/O2, accrochée à un injecteur coaxial avec et sans retrait interne, est menée. Les résultats numériques sont d'abord validés par des données expérimentales pour l'injecteur sans retrait. Ensuite, la configuration avec retrait est comparée à la solution de référence sans retrait et à des données experimentales pour observer les effets de ce paramètre de conception sur l'efficacité de combustion.

Nous étudions les systèmes de véhicules en libre service en aller-simple : avec emprunt et restitution dans des lieux éventuellement différents. La publicité promeut l'image de flexibilité et d'accessibilité (tarifaire) de tels systèmes, mais en réalité il arrive qu'il n'y ait pas de véhicule disponible au départ, voire pire, pas de place à l'arrivée. Il est envisageable (et pratiqué pour Vélib' à Paris) de relocaliser les véhicules pour éviter que certaines stations soient vides ou pleines à cause des marées ou de la gravitation. Notre parti-pris est cependant de ne pas considérer de "relocalisation physique" (à base de tournées de camions) en raison du coût, du trafic et de la pollution occasionnées (surtout pour des systèmes de voitures, comme Autolib' à Paris). La question à laquelle nous désirons répondre dans cette thèse est la suivante : Une gestion via des tarifs incitatifs permet-elle d'améliorer significativement les performances des systèmes de véhicules en libre service ?

La découverte des anesthésiques représente un progrès majeur de la médecine, rendu possible par l'observation empirique de leurs effets. Des expériences ont révélées les neurorécepteurs comme cibles possibles des anesthésiques, des canaux localisés sur la membrane des cellules cibles aux terminaisons nerveuses. Le récepteur GLIC, un homologue bactérien du récepteur nicotinique humain, a été co-cristallisé en 2011 avec des anesthésiques généraux liés à lui. Dans cette thèse, j'utilise les simulations de dynamique moléculaire pour caractériser les interactions entre des anesthésiques généraux et différentes formes de GLIC. En 2011, le propofol et le desflurane ont été co-cristallisés dans un site de liaison intra-sous-unité localisé dans le domaine transmembranaire de GLIC. En 2013, il a été montré que le bromoforme se lie à ce site ainsi qu'à un site inter-sous-unités. Dans ce travail, je décris des simulations d'une nouvelle structure cristalline montrant un site de liaison situé dans le pore du canal. Des simulations d'innondation de GLIC par le bromoforme ont démontré l'accessibilité spontanée des sites expérimentaux dans un environnement non cristallin. Des calculs d'énergie libre mettent en évidence des différences d'énergie de liaison entre les sites et entre des mutants de GLIC. Un échantillonnage complet des poches de liaison m'a permis de détecter un autre site de liaison inter-sous-unité duquel l'accessibilité est semble modulée par un résidu en particulier. Les données accumulées au cours de ce projet fournissent une image grandissante de l'action des anesthésiques à l'échelle atomique.

Les systèmes embarqués modernes ont atteint un niveau de complexité qui fait qu'il n'est plus possible d'attendre les premiers prototypes physiques pour valider les décisions sur l'intégration des composants matériels et logiciels. Il est donc nécessaire d'utiliser des modèles, tôt dans le flot de conception. Les travaux présentés dans ce document contribuent à l'état de l'art dans plusieurs domaines. Nous présentons dans un premier temps de nouvelles techniques de vérification de programmes écrits dans des langages généralistes comme C, C++ ou Java. Dans un second temps, nous utilisons des outils de vérification formelle sur des modèles écrits en SystemC au niveau transaction (TLM). Plusieurs approches sont présentées, la plupart d'entre elles utilisent des techniques de compilations spécifiques à SystemC pour transformer le programme SystemC en un format utilisable par les outils. La seconde partie du document s'intéresse aux propriétés non-fonctionnelles des modèles~: performances temporelles, consommation électrique et température. Dans le contexte de la modélisation TLM, nous proposons plusieurs techniques pour enrichir des modèles fonctionnels avec des informations non-fonctionnelles. Enfin, nous présentons les contributions faites à l'analyse de performance modulaire (MPA) avec le calcul temps-réel (RTC). Nous proposons plusieurs connections entre ces modèles analytiques et des formalismes plus expressifs comme les automates temporisés et le langage de programmation Lustre. Ces connexion posent le problème théorique de la causalité, qui est formellement défini et résolu avec un algorithme nouveau dit de " fermeture causale ".