Cette thèse est consacrée à la modélisation de la formation spontanée de chemins préférentiels par des marcheurs déposant des traces attractives sur leurs trajectoires. Plus précisément, par une démarche pluridisciplinaire couplant modélisation et expérimentation, elle vise à dégager un ensemble de règles minimales individuelles permettant l'apparition d'un tel phénomène. Dans ce but, nous avons étudié sous différents angles les modèles minimaux que sont les marches aléatoires renforcées (MAR).Ce travail comporte deux parties principales. La première démontre de nouveaux résultats dans le domaine des probabilités et statistiques. Nous avons généralisé le travail publié par M. Benaïm et O. Raimond en 2010 afin d'étudier l'asymptotique d'une classe de MAR auxquelles les demi-tours sont interdits. Nous avons également développé une procédure statistique permettant, sous certaines conditions adéquates de régularité, d'estimer les paramètres de MAR paramétrées et d'évaluer des marges d'erreur.Dans la seconde partie, sont décrits les résultats et analyses d'une étude comportementale et expérimentale de la fourmi Linepithema humile. Une partie de notre réflexion est centrée sur le rôle et la valeur des paramètres du modèle proposé par J.-L. Deneubourg et al. en 1990. Nous nous sommes aussi demandés dans quelle mesure une MAR peut reproduire les déplacements d'une fourmi dans un réseau. Dans ces objectifs, nous avons mené des expériences confrontant des fourmis à des réseaux à une ou plusieurs bifurcations. Nous avons appliqué aux données expérimentales les outils statistiques développés dans cette thèse. Nous avons aussi effectué une étude comparative entre les simulations de plusieurs modèles et les expériences. / This thesis is devoted to the modelisation of the spontaneous formation of preferential paths by walkers that deposit attractive trails on their trajectories. More precisely, through a multidisciplinary approach, which combines modelisation and experimentation, this thesis aims to bring out a set of minimal individual rules that allow the apparition of this phenomena. In this purpose, we study in several ways the minimal models, which are the Reinforced Random Walks (RRW).This work contains two main parts. The first one proves some new results in the field of probability and statistics. We have generalized the work published by M. Benaïm and O. Raimond in 2010 in order to study the asymptotics of a class of RRW, to which U-turns are forbidden. We developped also a statistical procedure that allows under some appropriate regularity hypotheses to estimate the parameters of parametized RRW and to evaluate margins of error.In the second part, we describe the results and the analyses of a experimental and behavioral study of the Linepithema humile ants. One part of our reflection is centered on the role and the value of the parameters of the model defined by J.-L. Deneubourg et al. in 1990. We investigated also the extent to which RRW could reproduce the moving of an ant in a network. To these purposes, we performed experiments that confront ants to a network of one or several forks. We applied to experimental data the statistical tools developed in this thesis and we performed a comparative study between experiments and simulations of several models.

Cette recherche en théorie sociale trouve sa source dans un problème classique livré notamment par la pensée de Hobbes, celui de la possibilité de l’ordre social – l’ordre social étant ici conçu comme une situation sociale où les membres d’un groupe parviennent à vivre ensemble de manière relativement pacifique. Elle se penche, plus précisément, sur des théories qui, bien qu’issues de traditions de pensée très différentes, proposent une même formulation critique et restrictive de ce problème : ces théories infirment l’idée que cet ordre (ou du moins toute situation d’ordre social) pourrait être produit de manière intentionnelle et invitent ainsi à envisager des mécanismes de production non intentionnelle de ce dernier. Cette enquête ne prétend nullement réaliser un panorama exhaustif des différentes pensées ou théories qui ont pu défendre cette hypothèse de l’ordre spontané. Elle s’attache avant tout, en s’appuyant sur les théories de B. Spinoza, B. Pascal, A. Smith, É. Durkheim, F. A. von Hayek et N. Luhmann, à établir les termes d’un débat au sein de cette perspective. Elle dégage pour ce faire les prémisses théoriques qui, chez ces auteurs, conditionnent des types spécifiques d’analyse des mécanismes d’auto-organisation. Ce travail dégage notamment deux courants adverses au sein de ces théories. Le premier, dans lequel on inclut les projets d’Hayek et de Luhmann, défend, en se fondant sur le constat d’une spécificité des sociétés modernes, l’hypothèse que leur ordre ne peut pas reposer, ou du moins pas essentiellement, sur un contrôle social exercé sur l’individu. Le second, dans lequel s’inscrivent les pensées de Durkheim, Smith, Pascal et Spinoza, met en exergue ce que nous nommons le « problème des passions », et soutient au contraire l’idée que ce contrôle constitue une condition essentielle de cet ordre. Tandis que le premier courant insiste sur la nature cognitive des mécanismes de production non intentionnelle d’ordre, le second souligne leur dimension affective. / The starting point of this investigation in social theory is the observation of strong affinities that very different and somehow rival theories have with each other. These theories investigate the problem of social order, namely « how is it possible for human beings to live with each other in a relative peaceful situation? ». Furthermore, they all maintain that this order cannot emerge but unintentionally. The present research aims at setting the terms of a debate among these approaches and focuses in this respect on the theories of Baruch Spinoza, Blaise Pascal, Adam Smith, Émile Durkheim, Friedrich August von Hayek and Niklas Luhmann. Their respective approaches to self-organizing mechanisms rest on correspondingly various theoretical assumptions. Our purpose is to point out these assumptions. For instance, Hayek and Luhmann’s theories on the one hand and those of Spinoza, Pascal, Smith and Durkheim on the other strongly differ regarding their conception of the conditions of social order: while the former, on account of the specificities of modern societies, assume that their social order cannot essentially rest on a social control, the latter argue that passions, by misleading human beings, make this social control an essential condition of peaceful living together.

Le déplacement collectif est l'un des phénomènes les plus remarquables de la nature. Il a été observé pour de nombreuses espèces animales, comme les essaims de bactéries, l'agrégation des fourmis, les bancs de poissons, les nuées d'oiseaux ou encore les foules d'humains. Ces comportements collectifs d'animaux ne sont pas seulement des scènes spectaculaires mais sont aussi une source d'intérêt pour explorer les mécanismes sous-jacents dans le but de comprendre les lois et l'évolution des groups biologiques ou même de nous aider à élaborer des essaims auto-organisés de robots.Nous avons étudié différents systèmes de déplacements collectifs, incluant des systèmes avec une seule espèce, comme les bancs de poissons et les foules d'humains et d'autres à plusieurs espèces, comme les systèmes de fuite et poursuite en groupe. Parmi lesquels, nous nous concentrons sur les mécanismes et les rôles du traitement de l'information sur les motifs macroscopiques. De plus, pour palier à la difficulté d'extraire des trajectoires depuis des vidéos expérimentales de qualité médiocre, nous proposons un outil rapide et robuste de suivi du déplacement. Notre contenu de recherche détaillé est le suivant : 1. Nous avons étudié les mécanismes de traitement de l'information dans les déplacements du Nez-rouge dans un dispositive annulaire. Pour la première fois, nous avons définis un comportement particulier aux bancs de poissons : des évènements de demi-tour. En introduisant un délai entre l'interaction entre les poissons, nous avons trouvé qu'à un poisson d'intérêt correspondent seulement un ou deux poissons qui ne sont pas nécessairement les plus proches. De plus, nous avons montré que l'information de tourner pendant un évènement de demi-tour collectif se propage comme des dominos. Enfin, nous avons utilisé le transfert d'entropie pour quantifier les flux d'information dans l'espace et le temps durant les évènements de demi-tour. 2. Nous avons étudié le rôle d'une perturbation dans un système de foule humaine en plaçant des obstacles (les perturbations) dans un flux de fuite de panique. Nous avons trouvé une façon simple et efficace d'augmenter le flux de fuite dans le but de sauver plus de vies dans des situations dangereuses. Nous avons appliqué des algorithmes génétiques pour optimiser l'agencement des piliers dans les simulations puis nous avons testé la qualité de ces résultats contre des expériences avec de vrais humains. Les résultats suggèrent que placer deux piliers le long des deux côtés d'une sortie peut maximiser la vitesse de sortie. 3. Nous avons étudié le rôle des mécanismes de traitement de l'information dans les déplacements collectifs multi-espèces en introduisant différentes strategies pour les proies dans un modèle de poursuite en groupe. Nous proposons trois stratégies d'agrégation : se déplacer vers le centre de masse de toutes les proies (MC), se déplacer vers la proie la plus proche (NN) et minimiser la distance totale entre toutes les proies (MD). Les résultats montrent que l'agrégation augmente grandement la durée de survie du groupe, et ceci même en autorisant les proies à être immortelles. Il y a une transition de phase de t (la durée de survie moyenne) en fonction de M (le nombre de prédateurs). 4. Nous avons développé un nouvel outil de suivi de déplacement pour améliorer les algorithmes de reconnaissance d'image et de suivi actuels afin d'extraire des trajectoires depuis des vidéos de qualité médiocre. Notre outil intègre un filtre de moyenne glissante, la soustraction du bruit de fond, des réseaux de neurones artificiels, du partitionnement en k-moyennes et une fonction d'erreur définie minutieusement. L'outil peut extraire une trajectoire depuis une video de basse qualité qui ne peut être fait que très difficilement par d'autres outils. Il peut suivre plusieurs animaux comme des poissons, des drosophiles, des fourmis, etc. Les performances de notre outil sont meilleures que idTracker et Ctrax. / Collective motion is one of the most striking phenomena in nature. It has been observed in a lot of animal species, such as bacteria, ants, fish, flocks of birds and crowds of human. These collective animal behaviors not only show us spectacular scenes, but also attract us to explore the underlying mechanisms in order to understand the laws and evolution of biological groups and even help us design smarter self-organizing robots. We study different collective motion systems including single species systems such as fish school and human crowd; and multi-species group chase and escape system. Among which, we focus on the mechanisms and roles of information processing on macro patterns. Moreover, regarding to the fact that it's very difficult to extract trajectory data from low quality experiment videos, we propose a fast and robust tracking tool. Details are as follows: 1. We study the mechanisms of information processing in the movements of Hemigrammus rhodostomus in a ring-shaped tank. For the first time, we define a special behavior of fish school: U-turn event. By introducing time delay between fish interaction, we find that a focal fish usually corresponds to only 1 or 2 fish which is not necessarily the nearest one. Moreover, we find the turning information during a group U-turn event propagates like domino. In addition, we use transfer entropy to quantify dynamic information flows in space and time across the U-turn events. 2. We study the role of perturbation information in human crowd system by introducing obstacles as perturbation information into a panic escaping flow. We find a useful and simple way to increase the panic flow in order to save more lives under dangerous situation. We apply genetic algorithms to optimize the layout of pillars in the simulations and then test the results with real human experiments. Results show that putting two pillars along the two sides of the exit can maximize the escape velocity. In the end, a tangential momentum theory is proposed to explain the role of the perturbation information. 3. We study the role of information processing mechanisms in multi-species collective motion by introducing different strateg?ies for the prey in a group chase model. We propose three aggregation strategies: moving to mass center of all preys, moving to the nearest prey and minimising the total distance to all preys. Results show that aggregation increase the group survival time greatly, even allowing immortal prey. There is a phase transition of t (average survival time) against M (number of predator). 4. We developed a new tracking tool to improve the current image recognizing and video tracking algorithms so as to extract trajectories from low quality videos. Our tool integrates mean-value filter, background substraction, artificial neural network, K-means clustering and a well defined cost function. It can track low quality videos which can be hardly tracked by other tools. And it can track different animals such as fish, drosophila, ants and so on. The overall tracking performance is better than idTracker and Ctrax.

Durant ces dernières années, nous avons assisté à une forte émergence de nouvelles technologies et environnements informatiques tels que le cloud computing, l'informatique ubiquitaire ou les réseaux de capteurs. Ces environnements ont permis d'élaborer de nouveaux types d'applications avec une forte valeur ajoutée pour les usagés. Néanmoins, ils ont aussi soulevés de nombreux défis liés notamment à la conception, au déploiement et à la gestion de cycle de vie des applications. Ceci est dû à la nature même de ces environnements distribués, caractérisés par une grande flexibilité, un dynamisme accru et une forte hétérogénéité des ressources. L'objectif principal de cette thèse est de fournir une solution générique, réutilisable et extensible pour l'auto-gestion de ces applications. Nous nous sommes concentrés sur la fourniture d'un support logiciel permettant de gérer à l'exécution les architectures et leur cycle de vie, notamment pour les applications à base de composants s'exécutant dans des environnements dynamiques, distributes et à grande échelle. De façon à atteindre cet objectif, nous proposons une solution synergique – le framework Cube – combinant des techniques issues de domaines de recherche adjacents tels que l'auto-organisation, la satisfaction de contraintes, l'auto-adaptation et la reflexion fondée sur les modèles architecturaux. Dans notre solution, un ensemble de gestionnaires autonomiques décentralisés s'auto-organise de façon à construire et gérer une application cible en s'appuyant sur une description partagée des buts de l'application. Cette description formelle, appelé Archetype, prend la forme d'un graphe orienté exprimant les différents éléments de l'architecture et un ensemble de contraintes. Un prototype du framework Cube a été implanté dans le domaine particulier de la médiation. Des expériences ont été conduites dans le cadre de deux projets de recherché nationaux: Self-XL et Medical. Les résultats obtenus démontrent la validité de notre approche pour créer, réparer et adapter des applications à base de composants s'exécutant dans des environnements distribués, dynamiques et hétérogènes. / In recent years, the world has witnessed the rapid emergence of several novel technologies and computing environments, including cloud computing, ubiquitous computing and sensor networks. These environments have been rapidly capitalised upon for building new types of applications, and bringing added-value to users. At the same time, the resulting applications have been raising a number of new significant challenges, mainly related to system design, deployment and life-cycle management during runtime. Such challenges stem from the very nature of these novel environments, characterized by large scales, high distribution, resource heterogeneity and increased dynamism. The main objective of this thesis is to provide a generic, reusable and extensible self-management solution for these types of applications, in order to help alleviate this stringent problem. We are particularly interested in providing support for the runtime management of system architecture and life-cycle, focusing on applications that are component-based and that run in highly dynamic, distributed and large-scale environments. In order to achieve this goal, we propose a synergistic solution – the Cube framework – that combines techniques from several adjacent research domains, including self-organization, constraint satisfaction, self-adaptation and self-reflection based on architectural models. In this solution, a set of decentralised Autonomic Managers self-organize dynamically, in order to build and administer a target application, by following a shared description of administrative goals. This formal description, called Archetype, contains a graph-oriented specification of the application elements to manage and of various constraints associated with these elements. A prototype of the Cube framework has been implemented for the particular application domain of data-mediation. Experiments have been carried-out in the context of two national research projects: Self-XL and Medical. Obtained results indicate the viability of the proposed solution for creating, repairing and adapting component-based applications running in distributed volatile and evolving environments.

L'objectif de cette thèse est de proposer une approche générale améliorant le maintien de la cohérence et de la robustesse dans un système multi-agents (SMA) qui recueille collectivement des informations provenant des sources distribuées où certains sources sont défectueuses (volontairement ou non). Dans ce contexte, les informations recueillies collectivement par le système sont une agrégation progressive (non linéaire) des informations recueillies individuellement par chaque agent. Par conséquent, chaque agent a des informations directes (recueillies par lui-même) et des informations indirectes (obtenues grâce à la communication avec d'autres agents). La cohérence du système est définie par la compatibilité des informations recueillies collectivement sur l'environnement exploré avec l'environnement réel. La robustesse du système est définie par la capacité du système de maintenir la cohérence de ses informations, en dépit de l'existence et de l'augmentation des agents défaillants au sein du système.Pour assurer la cohérence du système, nous proposons un modèle de confiance appelé TrustSet, permettant aux agents de raisonner eux-mêmes sur les informations collectées et en particulier de calculer la fiabilité de ces informations. Chaque agent maintient un réseau de confiance et un système d'informations locales construit à partir de la confrontation des informations directes (collectées par l'agent) et des informations indirectes (obtenues à partir des agents rencontrés) pour développer une stratégie de communication locale ou globale garantissant la robustesse du système par rapport aux effets de la dissonance des agents. Ensuite, nous construisons un système multi-agents capable de définir dynamiquement ou de faire émerger des stratégies de déplacement ou de communication adaptées à la perturbation. Une démarche d'auto-organisation se base sur une vision systémique dans laquelle nous considérons un couplage structurel entre les deux composantes du système : le sous-système de collecte d'information directe et le sous-système de communication. Ce mécanisme agit comme un guide pour la communication et pour la limitation de la diffusion d'informations dissonantes dans le système, réduisant ainsi son impact sur le processus de la collecte d'information collective. De nombreuses simulations ont été menées dans le cadre d'une application de cartographie collaborative, afin de montrer l'intérêt de notre approche. / This thesis addresses the issue of maintaining information coherence and its robustness in a multiagent system, that collectively gathers information from distributed sources and where some sources may be defective (deliberately or not). In this context, the collective information gathered by the system is a progressive (possibly non-linear) aggregation of information collected individually by each agent. Therefore, each agent has direct information, collected by itself, and indirect information, obtained through communication with other agents. System coherence is defined by the compatibility of collected information about the explored environment and its actual information. System robustness is defined by the capability to maintain information coherence, despite the existence and increase of faulty agents within the system. To ensure the system coherence, this thesis proposes a trust model named TrustSets, allowing agents themselves to reason about collected information to ensure its consistency by using the calculation of the information reliability. Each agent maintains a trust network and can recognize direct (collected from the environment) and indirect (collected by exchanging information with other agents) information, not only in its stored data, but also in the data transmitted by agents it encounters. Then, the agents develop their own local and global communication strategies to ensure the system robustness against the effects of dissonance agents. To ensure the system robustness, we construct a multi-agent system which brings out dynamically strategies of movement and communication automatically adapted to the perturbation. For this purpose, we propose a self-organizational approach, based on a systemic view in which we consider a structural coupling between two levels: direct information gathering and communication. This mechanism acts as a guide for communicating and for limiting the propagation of dissonant information in the system. Consequently, it reduces the impact of dissonant information on the process of gathering information collectively. Various experiments were conducted as the part of a collaborative mapping application to show the interest of our approach.

Ce travail est dédié à l'étude du comportement agrégatif chez la fourmi Lasius niger afin de caractériser le phénomène au niveau collectif, par l'étude de la dynamique et de la structure agrégative, et au niveau des mécanismes sous-tendant le phénomène par l’analyse des comportements individuels des fourmis. Nous avons montré expérimentalement et vérifié par la modélisation que l’agrégation est essentiellement liée à un phénomène amplificateur :plus l’agrégat est de grande taille, plus les fourmis y restent longtemps. Nos résultats indiquent que le niveau d’agrégation et la structure formée sont dépendants de plusieurs facteurs comme la densité et la surface disponible :une évolution de la structure agrégative des nourrices est observée, passant d’un grand agrégat stable pour les petites densité-surface à plusieurs agrégats à hiérarchie de taille moins marquée pour les grandes densité-surface. L’agrégation est aussi influencée par la caste éthologique des fourmis, les nourrices s’agrégeant en un agrégat stable de grande taille, les fourrageuses en quelques petits agrégats instables. Cette différence s’explique par une probabilité plus faible des fourrageuses à rester dans l’agrégat. Dans les groupes mixtes, les fourmis gardent les caractères propres à leur caste, ne semblant pas influencées par la caste de l’individu rencontré. Enfin, l’agrégation diffère quantitativement mais non qualitativement selon l’espèce utilisée :nos études sur Crematogaster scutellaris, Atta sexdens-rubropilosa, Solenopsis invicta, Pheidole pallidula, Linepithema humile, Myrmica rubra et M. ruginodis montrent une grande variété de réponses, en nombre et en taille d’agrégats, qui est aussi fonction de la caste de fourmis utilisée. Une constance, cependant, apparaît dans nos résultats :les nourrices paraissent mieux s’agréger que les fourrageuses. Ces résultats sont discutés en fonction de leur valeur adaptative pour la colonie et d’un lien possible avec la distribution spatiale des individus à l’intérieur du nid./This work is dedicated to the study of the aggregative behaviour in the ant Lasius niger in order to characterize the phenomenon at the collective level by a study of the dynamic and the collective structure, and at the individual level to understand the mechanisms underlying the phenomenon. We demonstrated experimentally and verified by a model that aggregation is essentially due to an amplificatory phenomenon: the greater the ant numbers in a cluster, the greater the time spent by an ant inside this cluster. Our results indicate that the aggregation level and the form of the collective structure depend on different factors such as the density and the surface: for brood-tenders, an evolution of the aggregative structure is observed shifting from a large stable aggregate for low density-surface to several smaller clusters with a less pronounced hierarchical size for the greater density-surface. Aggregation is also influenced by the ethological caste of the ant: the brood-tenders aggregate in a big stable cluster and the foragers in some unstable clusters. This difference is explained by a smaller probability of foragers to stay inside the cluster. In mixed groups, ants keep their own characteristics, not appearing to be influenced by the caste of the individual encountered. Finally, aggregation is influenced by the ant species: our studies on Crematogaster scutellaris, Atta sexdens-rubropilosa, Solenopsis invicta, Pheidole pallidula, Linepithema humile, Myrmica rubra and M. ruginodis show us a large variety of responses, in the number and the size of the clusters, which is also a function of the caste of ants which is used. A constant result, nevertheless, appears in our results: brood-tenders seem to aggregate better than foragers. These results are discussed in term of their adaptive value for the colony and a possible link with the spatial distribution of ants inside the nest. / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie animale / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Des ensembles complexes, tels que les foules de piétons peuvent être soumis à de très fortes fluctuations de vitesses et de densités. Les individus formant ces ensembles sont les propres vecteurs de leur mouvement. Ils répondent à des règles locales microscopiques de déplacement qui, sous certaines conditions de densité, peuvent avoir un impact macroscopique sur la dynamique de l'ensemble. A la différence des animaux purement collectifs, comme ceux composant les bancs de poissons, les nuées d'oiseaux ou bien les troupeaux de gnous, les piétons partagent des intentions à la fois collectives et individuelles. De cette nature particulière apparaissent des comportements d'auto-organisation singuliers, dépendant de la nature cognitive des interactions entre les piétons, de la géométrie de l'espace, de la pluralité des objectifs, ainsi que la densité et la vitesse. L'objectif de cette thèse a été de reproduire via la simulation numérique les principaux phénomènes observés à l'aide d'hypothèses physiques et comportementales. Nous avons adopté une approche microscopique continue prenant en compte leur capacité d'anticipation via la recherche des différents temps de collision et l'utilisation d'une fonction d'estimation des angles de déviation possibles. Nous avons alors comparé notre modèle avec ceux dont il s'inspire face à différentes géométries. Nous avons aussi étudié des situations types comme l'évacuation à travers une porte avec différents jeux de paramètres : la taille de la porte, la vitesse et l'injection d'un bruit. Enfin, nous avons reproduit le phénomène d'oscillation de passages de deux groupes autour d'une porte en introduisant quelques règles de priorité. / Complex bodies, as crowds of pedestrian can present Strong Velocity and Density fluctuations. The persons shaping theses bodies are their own Drive motors. They follow local microscopic motion rules which, under certains Density conditions, can play a major role on the whole dynamics at the macroscopic scale. Unlike the purely collective animals, as those composing schools of fish, flocks of birds or herds of wildebeest, the pedestrians share at the same time collective and individual intentions. From this particular nature appear singular self-organisation behaviors, depending on the cognitive aspect of the pedestrian interactions, the geometry of the space, the plurality of targets, as well as the density and the velocity. The goal of this thesis has been to reproduce via numerical simulation tools the principal observed phenomena using physical and behavioral hypothesis. For that, we have adopted a continuous microscopic approach. The dynamics for each pedestrian is done locally trough a Newton-like equation which takes in account their anticipation ability via the search of the different collision time and the use of an estimation function of the possible deviation angles. Then, we have compared the behaviour differences between our model and those that inspired it in differents Spatial geometries. We have also studied generic situations as the evacuation trough a door with different sets of parameters : the size of the door, the velocity and the injection of a noise in the equation of forces. Finally, we have reproduced the oscillation phenomena of passings of two groups around a door by introducing some priority rules.

Dans les systèmes parcourus par un flux d’énergie ou de matière, des phénomènes d’auto-organisation sont possibles. Le système quitte son état d’équilibre thermodynamique, ses composants s’organisent en « structures dissipatives », aussi appelées des « patterns ». En optique, on observe de tels « patterns » dans les dimensions transverses des faisceaux laser lors de leur propagation dans certains matériaux nonlinéaires.Nous étudions ici les patterns observés dans un système photoréfractif à simple rétroaction optique. Le faisceau incident et le faisceau réfléchi par le miroir interfèrent dans le cristal photoréfractif et modifient ses propriétés électro-optiques. Cette modification influence en retour la propagation des faisceaux. Si le faisceau incident est suffisamment intense, le système dépasse le seuil dit d’ « instabilité de modulation » : l’observation du faisceau retour montre que l’intensité lumineuse s’est auto-organisée en structures géométriques remarquables, en patterns.Deux axes de recherche sont approfondis. Premièrement, nous étudions l’influence d’un moment angulaire orbital du faisceau incident (appelé alors un faisceau « vortex ») sur le pattern. Cette propriété du faisceau influe sur le phénomène d’auto-organisation et sur la dynamique des structures transverses obtenues. Un modèle numérique du mélange d’onde donne des résultats cohérents avec l’expérience. Deuxièmement, nous étudions le régime très fortement non linéaire, c’est-à-dire dans le cas d’un pompage gaussien classique mais très intense. Nous montrons par une analyse statistique que l’état turbulent observé loin du seuil est parcouru par des événements intenses, des ondes scélérates. / In systems through which flows of energy or matter propagate, it is possible to observe self-organization phenomena. The system can leave its thermodynamical equilibrium state. Its components self-organize themselves in « dissipative structures », also called « patterns ». In optics, we observe such patterns in the transverse dimensions of laser beams during their propagation in certain nonlinear materials.This thesis aims to study the patterns observed in a photorefractive single feedback system. The forward beam and the beam reflected by the mirror interfere in the photorefractive crystal and modify its electro-optical properties. This modification influences in return the propagation of the beams. If the incident beam is sufficiently powerful, the system reaches the « modulation instability » threshold : the observation of the backward beam reveals that the intensity has self-organized in patterns.Particularly, we deal in depth with two axes of research. Firstly, we study the influence of an orbital angular momentum of the input beam (therefore called a « vortex » beam) on the pattern formation process. This property influences the self-organization phenomenon and the dynamics of the transverse structures. Moreover the results provided by a numerical model of the wave mixing process are in a good accordance with the experimental observations. Secondly, we study the highly nonlinear regime obtained with a classical gaussian pump but very powerful. We show by a statistical analysis that the turbulent state far from the instability threshold contains some extreme events, also called « rogue waves ».

Les dérivés arène-carboxyliques sont des matériaux intéressants dans le but d’obtenir une cellule solaire organique efficace à base de cristaux liquides : Ils présentent à la fois des propriétés électroniques modulables en fonction de la structure chimique, une tendance aux larges plages de températures de présence d’une mésophase colonnaire et souvent un alignement homéotrope au contact de surfaces polaires telles que l’ITO ou le verre. Nous montrons avec cette thèse que des couples donneur-accepteur colonnaires à température ambiante peuvent être obtenus, avec des propriétés suffisamment complémentaires pour prévoir des dissociations d’excitons en charges séparées à leur jonction dans des cellules solaires. / Carboxylic derivatives of polycyclic aromatics are interesting materials in order to obtain efficient organic solar cells based on liquid crystals: They have adjustable electronic properties depending on the chemical structure, a tendency to form a columnar mesophase over wide ranges of temperatures and often a homeotropic alignment in contact with polar surfaces such as ITO or glass. We show with this thesis that donor-acceptor pairs of room-temperature columnar liquid crystals with adjusted properties can be obtained in view of efficient exciton dissociation into separate charges at their junction in solar cells.

Les cellules eukaryotes sont compartimentées par des structures intracellulaires nommées organites. On peut citer le réticulum endoplasmique, l'appareil de Golgi, le réseau endosomal et lyzosomal. Ces structures délimitées par des membranes cellulaires sont hautement dynamiques, structures dont les composants s'échangent sans cesse entre les différents compartiments. Malgré cette dynamique, les structures qui composent les réseaux d'organites sont très stables et robustes, de sorte que l'on peut décrire un état stationnaire pour ces systèmes hors équilibre et auto-organisés. Bien qu'ils soient robustes en conditions physiologiques, ces compartiments peuvent subir des modification de structures en condition pathologiques ou sous l'effet de traitements pharmacologiques. L'auto-organisation de systèmes à l'équilibre et relativement bien compris par le biais de diagrammes de phases, où l'on peut représenter lesdites phases en fonctions de paramètres physiques, tels que la concentration, ou les interaction entre les différents composants. La situation est bien moins prédictible pour des systèmes hors équilibre. C'est là donc une question scientifique intéressante que de comprendre les mécanismes contraignant l'organisation intracellulaire, où transports actifs et modification biochimiques des composant, tout deux consommant de l'énergie, sont en compétition avec des phénomènes passifs telle que la diffusion. Nous étudions, aussi bien numériquement qu'analytiquement, des modèles d'auto-organisation et de transport, dans des systèmes où un nombre réduit de composants s'organisent par le biais de réaction stochastiques, en des structures de grandes tailles. La question principale que nous posons est de comprendre comment les dynamiques d'échanges entre compartiments (par le biais de vésiculations et de fusion) jouent de concert avec les cinétiques de maturation des composants d'organites, permettent la mise en place d'un réseau robuste. A cette fin, nous nous focalisons sur un organite type, multi-compartiments, doté d'une dynamique riche de transport et de maturation de ses composants : l'appareil de Golgi. Nous décrivons et analysons l'état stationnaire de ces systèmes, en des termes de tailles et de pureté des compartiments le composant - sont ils gros ou petit, triés dans leur composition ou mixés. De cet état stationnaire émerge spontanément un transport de vésicules entre les compartiments, dont la directionnalité est intimement liée à l'état stationnaire. Ce transport est antérograde dans les régimes triés, rétrograde dans les régimes mixés. Des interactions locales, entre les compartiments et ce qu'ils renferment (protéines dont le nom générique est cargo), suffisent à biaiser ces dynamiques de transport. Cela impacte à la fois le temps de résidence des cargos, mais aussi leur localisation dans le système. La capacité de cet organite à trier ces cargos dépend cependant grandement de l'état stationnaire précédemment décrit. / Eukaryotic cells are highly compartmentalized into intracellular organelles, such as the endoplasmic reticulum, the Golgi apparatus, endosomes and lysosomes. These are dynamical structures bounded by lipid membranes, within which components undergo biochemical modification by enzymes, and between which components are constantly being exchanged. Despite their highly dynamical nature, their spatial organization is fairly well conserved over time, so that they could be seen as stationary states of a highly non-equilibrium, and multi-component system. On the other hand, this organization has been observed to be totally disorganized in pathologies or drug treatments. Self-organization in equilibrium systems is fairly well understood by means of phase diagrams where the occurrence of different phases (dispersed, condensed, phase separated) depends on physical parameters (concentrations, interaction energy between components). The situation is much less clear for non-equilibrium systems. It is therefore an exciting challenge to reach a quantitative understanding of the mechanisms dictating the intra-cellular organization, where active transport and biochemical modification by energy-consuming enzymes compete with purely passive phenomena such as diffusion. We design and study, both analytically and numerically, simple models of self-organization and transport in systems where a limited number of components may self-organize into larger structures by means of stochastic reactions. Our main fundamental question is to determine how the interplay between the dynamics of inter-organelle exchange (by means of vesicle secretion, transport and fusion) and the kinetics of biochemical maturation within organelles may yield a precise and robust organelle network. To this end we focus on one "stereotype" organelle, that is already multi-compartments and with a very rich dynamics of vesiculation, fusion and maturation: the Golgi Apparatus. We describe and understand the steady-state organization of such systems, in term of compartments' size and purity - how big and well sorted are the different compartments. From this steady-state, a vesicular transport spontaneously emerges, whose directionality is linked to the steady-state organization. It is anterograde in a pure regime, and retrograde in a mixed configuration. Local interaction between components being transported, and membranes are sufficient to bias those transport. This both change the kinetics of transport in the system, and thus their location in the compartments. How efficient the system is in sorting these elements, strongly relies on the steady-state organization and the vesicular transport.