À l'échelle macroscopique, les ondes et les particules sont des objets distincts. La découverte d'objets appelés marcheurs, constitués d'une goutte rebondissant sur un bain liquide vibré verticalement, a montré qu'il n'en était rien. La goutte est autopropulsée, guidée sur la surface du liquide par l'onde qu'elle a elle-même créée lors des rebonds précédents. Ces objets possèdent une dynamique originale dominée par le concept de mémoire de chemin. La structure du champ d'onde qui guide la goutte dépend, en effet, de la position des rebonds passés disposés le long de la trajectoire. La profondeur de cette mémoire peut, de plus, être contrôlée expérimentalement en changeant l'accélération du bain. De nombreuses réalisations expérimentales ont mis en évidence les comportements dynamiques singuliers de ces systèmes couplés goutte/onde. Cette thèse répond à la nécessité d'une compréhension théorique des effets non locaux en temps introduit par la mémoire de chemin. Pour ce faire, nous étudierons l'évolution d'un marcheur numérique en potentiel harmonique bidimensionnel. Un ensemble relativement restreint de trajectoires stables est obtenu. Nous constaterons que ces dernières sont quantifiées en extension moyenne et en moment angulaire moyen. Nous analyserons comment s'imbriquent les différentes échelles de temps de la dynamique, permettant ainsi de dissocier les termes propulsifs à temps court de l'émergence de structures ondulatoires cohérentes à temps long. Nous verrons en quoi l'expression du caractère non-local d'un marcheur permet d'en révéler les symétries internes et d'assurer la convergence du système dynamique vers un jeu d'états propres de basse dimension. / Waves and particles are distinct objects at a macroscopic scale. The existence of walkers, drops bouncing on a vertically vibrated fluid bath is a surprising case of dual objects at our scale. The drop is self-propelled, piloted by the standing surface waves generated by its previous rebounds. These objects exhibit a rich dynamics relying on the concept of path memory. Indeed, the wave field results from the position of the past impacts left all along the walker trajectory. The memory is tunable at will by simply changing the vertical acceleration of the bath. A series of experiments have revealed the surprising dynamical behaviors of this dual drop-wave entity. In this PhD, we give a theoretical understanding of the temporal non local structure of walkers. We explore the dynamics of numerical walkers in a two-dimensional harmonic potential. We observe that the system only reaches a relatively limited set of stable attractors, quantized in both extension and mean angular momentum, in excellent agreement with the experimental results. We investigate how the different time scales are intertwined, which decouples the short-time acting propulsion from the build-up of coherent wave structures at much longer time scales. We analyze the non-local mechanism revealing the internal symmetries of the walker which drives the convergence of the dynamics to a set of low-dimensional eigenstates.

L’interaction d’assemblées de moteurs et de filaments du cytosquelette donne naissance à des comportements actifs qui demeurent peu compris, malgré la large caractérisation de leurs molécules individuellement. En contrôlant la géométrie de polymérisation de l’actine via des micropatrons surfaciques de nucléation, nous avons observé in vitro l’émergence de battements de faisceaux de filaments parallèles d’actine en présence de myosines en solution (myosine V ou HMM II (Heavy MeroMyosine II)). La forme du battement est similaire pour les deux types de moteurs, mais avec des oscillations un ordre de grandeur plus rapides avec la myosine II qu’avec la myosine V. Dans les deux cas, une onde de déformation transverse se propage à vitesse uniforme de la base à la pointe du faisceau d’actine. Avec la polymérisation, les faisceaux d’actine s’allongent à vitesse constante : la période croît, mais la vitesse de l’onde mécanique reste inchangée. L’utilisation de myosines-GFP a révélé un pic de concentration et un recrutement localisé des myosines au sein du faisceau d’actine, avant qu’une onde de concentration ne se propage vers la pointe de concert avec l’onde mécanique de l’actine. Ces résultats présentent une nouvelle forme de couplage entre l’affinité des myosines à l’actine et la forme du faisceau d’actine. Ce travail de thèse décrit l’émergence de battements actifs imitant ceux des flagelles comme une propriété intrinsèque de l’interaction de filaments polaires et de moteurs moléculaires. Le contrôle de la structure lors du processus d’auto-organisation fournit des informations clés pour étudier les principes physiques génériques du battement flagellaire. / The emergent active behaviors of molecular motors assemblies and cytoskeletal filaments systems remain poorly understood, though individual molecules have been extensively characterized. By controlling the geometry of actin polymerization with surface micropatterns of a nucleation promoting factor, we were able to demonstrate in vitro the emergence of flagellar-like beating of bundles of parallel actin filaments in the presence of myosin motors. We worked with both myosin V and heavy-meromyosin II. The waveform of oscillation was similar for the two types of motors, but oscillations with myosin II were one order of magnitude faster than with myosin Va. In both cases, a bending wave traveled at a uniform speed from the anchored base of the actin bundle towards the tip. As polymerization occurred, the actin bundle elongated at a constant speed, resulting in an increase of the oscillation period, but the speed of the traveling bending wave remains constant. GFP-tagged myosin V revealed the presence of a myosin concentration peak within the actin bundle. Strikingly, myosin V motors were locally recruited within the actin bundle, before a concentration wave propagated towards the bundle’s tip in concert with the actin bending wave. These results revealed a novel form of coupling between the myosin affinity for actin and the actin bundle shape. Our work demonstrates that active flagellar-like beating emerges as an intrinsic property of polar bundles of filaments in interaction with molecular motors. Structural control over the self-assembly process provides key information to clarify the underlying physical principles of flagellar-like beating.

L'objectif de ce travail est de comprendre comment s'auto-organisent les films minces de PS-b-PMMA présentant des nanodomaines cylindriques de PMMA orientés verticalement. Ces films sont ensuite utilisés pour organiser des nano-objets discrets de faibles dimensions (diamètre ~ 20 nm) et en forte densité (~1011/cm²).<br />Il est montré que la phase de cylindres verticaux se forme de façon indirecte pendant le recuit thermique à partir d'une phase homogène. Tout d'abord, il se forme une phase de cylindres désordonnés au sein du film sur laquelle la phase de cylindres verticaux s'établie par un mécanisme de nucléation-croissance, menant à la présence de défauts aux joints de grains. <br />L'élimination des défauts dans le réseau nécéssite une diffusion de ces derniers. Après avoir montré expérimentalement et théoriquement que les sites heptacoordinés adoptent une morphologie distordue en raison de la contrainte du réseau, nous proposons un mécanisme de diffusion des dislocations basé sur la division des nanodomaines distordus. Nous montrons que les films réalisés possédent un ordre hexatique selon la théorie KTHNY.<br /> Finalement, nous utilisons ces films en tant que masque pour réaliser, par gravure plasma, des nano-piliers en Si/SiGe ou bien des capacités MOS à nanocristaux de Pt

Ce travail de thèse expérimental porte principalement sur deux études concernant la dynamique collective de particules dans des écoulements à très faible nombre de Reynolds et dans des environnements confinés. Dans ces systèmes les particules interagissent via des couplages hydrodynamiques à longue portée d'origine géométrique ou topologique. Le thème général faisant le pont entre ces deux études est la notion de réversibilité hydrodynamique. De part les méthodes mises en oeuvre pour aborder ces problèmes, cette thèse se place à l'interface de trois grands domaines de la physique: l'hydrodynamique, la matière molle et les systèmes dynamiques. Le premier système est un ensemble de gouttes micrométriques confinées dans une cellule de Hele-Shaw et soumis à un écoulement sinusoïdal afin de sonder la nature réversible de la dynamique. Cette expérience d'écho caractérisée par une dynamique microscopique complètement réversible met en évidence une transition de phase du premier ordre entre un état macroscopique réversible en dessous d'une certaine amplitude d'oscillation et un état macroscopique irréversible au dessus de cette amplitude. De plus, il est montré que cette transition n'est pas seulement dynamique mais également structurale. La seconde étude correspond quant à elle à une expérience de trafic dans un réseau de boucles microfluidiques où la dynamique asymptotique du système à 3 corps est étudiée de manière extensive. En combinant des études numériques, analytiques et expérimentales, il est montré que cette dynamique de trafic est Hamiltonienne et réversible.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La dernière décennie a vu l'émergence d'Internet et l'apparition des applications multimédia qui requièrent de plus en plus de bande passante, ainsi que des utilisateurs qui exigent une meilleure qualité de service. Dans cette perspective, beaucoup de travaux ont été effectués pour améliorer l'utilisation du spectre sans fil.Le sujet de ma thèse de doctorat porte sur l'application de la théorie des jeux, la théorie des files d'attente et l'apprentissage dans les réseaux sans fil,en particulier dans des environnements partiellement observables. Nous considérons différentes couches du modèle OSI. En effet, nous étudions l'accès opportuniste au spectre sans fil à la couche MAC en utilisant la technologie des radios cognitifs (CR). Par la suite, nous nous concentrons sur le contrôle de congestion à la couche transport, et nous développons des mécanismes de contrôle de congestion pour le protocole TCP. / Since delay-sensitive and bandwidth-intense multimedia applications have emerged in the Internet, the demand for network resources has seen a steady increase during the last decade. Specifically, wireless networks have become pervasive and highly populated.These motivations are behind the problems considered in this dissertation.The topic of my PhD is about the application of game theory, queueing theory and learning techniques in wireless networks under some QoS constraints, especially in partially observable environments.We consider different layers of the protocol stack. In fact, we study the Opportunistic Spectrum Access (OSA) at the Medium Access Control (MAC) layer through Cognitive Radio (CR) approaches.Thereafter, we focus on the congestion control at the transport layer, and we develop some congestion control mechanisms under the TCP protocol.The roadmap of the research is as follows. Firstly, we focus on the MAC layer, and we seek for optimal OSA strategies in CR networks. We consider that Secondary Users (SUs) take advantage of opportunities in licensed channels while ensuring a minimum level of QoS. In fact, SUs have the possibility to sense and access licensed channels, or to transmit their packets using a dedicated access (like 3G). Therefore, a SU has two conflicting goals: seeking for opportunities in licensed channels, but spending energy for sensing those channels, or transmitting over the dedicated channel without sensing, but with higher transmission delay. We model the slotted and the non-slotted systems using a queueing framework. Thereafter, we analyze the non-cooperative behavior of SUs, and we prove the existence of a Nash equilibrium (NE) strategy. Moreover, we measure the gap of performance between the centralized and the decentralized systems using the Price of Anarchy (PoA).Even if the OSA at the MAC layer was deeply investigated in the last decade, the performance of SUs, such as energy consumption or Quality of Service (QoS) guarantee, was somehow ignored. Therefore, we study the OSA taking into account energy consumption and delay. We consider, first, one SU that access opportunistically licensed channels, or transmit its packets through a dedicated channel. Due to the partial spectrum sensing, the state of the spectrum is partially observable. Therefore, we use the Partially Observable Markov Decision Process (POMDP) framework to design an optimal OSA policy for SUs. Specifically, we derive some structural properties of the value function, and we prove that the optimal OSA policy has a threshold structure.Thereafter, we extend the model to the context of multiple SUs. We study the non-cooperative behavior of SUs and we prove the existence of a NE. Moreover, we highlight a paradox in this situation: more opportunities in the licensed spectrum may lead to worst performances for SUs. Thereafter, we focus on the study of spectrum management issues. In fact, we introduce a spectrum manager to the model, and we analyze the hierarchical game between the network manager and SUs.Finally, we focus on the transport layer and we study the congestion control for wireless networks under some QoS and Quality of Experience (QoE) constraints. Firstly, we propose a congestion control algorithm that takes into account applications' parameters and multimedia quality. In fact, we consider that network users maximize their expected multimedia quality by choosing the congestion control strategy. Since users ignore the congestion status at bottleneck links, we use a POMDP framework to determine the optimal congestion control strategy.Thereafter, we consider a subjective measure of the multimedia quality, and we propose a QoE-based congestion control algorithm. This algorithm bases on QoE feedbacks from receivers in order to adapt the congestion window size. Note that the proposed algorithms are designed based on some learning methods in order to face the complexity of solving POMDP problems.

Les études récentes de la déformation plastique à l'aide de techniques expérimentales à haute résolution témoignent que les processus de déformation sont souvent caractérisés par des effets collectifs qui émergent à une échelle mésoscopique, intermédiaire entre celle de défauts cristallins et celle d'une éprouvette macroscopique. Notamment, la méthode de l'émission acoustique (EA) révèle, dans divers conditions expérimentales, l'intermittence de la déformation plastique, qui se manifeste par une propriété de l'invariance d'échelle, caractéristique de phénomènes d'auto-organisation. L'objectif de la thèse a été d'étudier la structure inhérente de l'EA pour différents mécanismes de déformation plastique, d'examiner sa dépendance à la vitesse de déformation et à l'écrouissage du matériau, et d'appréhender les liens entre les petites échelles de temps, liées à l'organisation des défauts, et celles qui relèvent de l'approche continue de la plasticité. L'étude a été réalisée sur des alliages AlMg et des alliages base Mg, dont la déformation plastique est accompagnée d'une forte activité acoustique et contrôlée par différents mécanismes physiques : l'effet Portevin-Le Chatelier (PLC) dans les premiers et une combinaison du maclage et du glissement des dislocations dans les deuxièmes. L'utilisation de la technique d'enregistrement continue de l'EA ("data streaming") a permis de montrer que le comportement apparent - discrète ou continue - de l'EA accompagnant l'effet PLC dépend de l'échelle de temps d'observation et du paramètre physique étudié. Cependant, contrairement à une vision traditionnelle, il se trouve que l'EA a un caractère intermittent pendant l'écoulement macroscopiquement lisse tant que pendant l'instabilité macroscopique de la déformation plastique. Grace aux méthodes d'analyse issues de la théorie des systèmes dynamiques non linéaires, telles que l'analyse multifractale, une tendance à la transition entre la dynamique invariante d'échelle et les comportements caractérisés par des échelles intrinsèques a été trouvée lors de l'écrouissage des matériaux. Enfin, nous avons prouvé que les distributions statistiques en loi puissance persistent dans des larges intervalles de variation des paramètres, conventionnellement utilisés pour individualiser les événements acoustiques. Ce résultat est d'une importance générale car il s'applique à tous les processus avalancheux émergeant dans différents systèmes dynamiques / Recent studies of plastic deformation using high-resolution experimental techniques testify that deformation processes are often characterized by collective effects that emerge on a mesoscopic scale, intermediate between the scale of individual crystal defects and that of the macroscopic sample. In particular, the acoustic emission (AE) method reveals intermittency of plastic deformation in various experimental conditions, which is manifested by the property of scale invariance, a characteristic feature of self-organized phenomena. The objective of the dissertation was to study the inherent structure of AE for different mechanisms of plastic deformation, to examine its dependence on the strain rate and strain hardening of the material, and to understand the relationships between short time scales related to organization of defects and those relevant to the continuous approach of plasticity. The study was performed on AlMg and Mg-based alloys, the plastic deformation of which is accompanied by a strong acoustic activity and controlled by different physical mechanisms: the Portevin-Le Chatelier (PLC) effect in the first case and a combination of twinning and dislocation glide in the second case. Application of a technique of continuous AE recording ("data streaming") allowed proving that the apparent behavior, discrete or continuous, of AE accompanying the PLC effect depends on the time scale of observation and the physical parameters surveyed. However, unlike the traditional view, it appears that AE has an intermittent character during both stress serrations and macroscopically smooth flow. Using methods of the theory of nonlinear dynamical systems, such as the multifractal analysis, a tendency to a transition between the scale-invariant dynamics and the behaviors characterized by intrinsic scales was detected during work hardening. Finally, we proved that the power-law statistical distributions persist in wide ranges of variation of parameters conventionally used to individualize acoustic events. This result is of general importance because it applies to all avalanche-like processes emerging in dynamical systems

Dans ce manuscrit nous proposons une architecture neuronale d'inspiration corticale, capable de développer un traitement émergent de type auto-organisation. Afin d'implémenter cette architecture neuronale de manière distribuée, nous utilisons le modèle de champs neuronaux dynamiques, un formalisme mathématique générique conçu pour modéliser la compétition des activités neuronales au niveau cortical mésoscopique. Pour analyser en détail les propriétés dynamiques des modèles de référence de ce formalisme, nous proposons un critère formel et un instrument d'évaluation, capable d'examiner et de quantifier le comportement dynamique d'un champ neuronal quelconque dans différents contextes de stimulation. Si cet instrument nous permet de mettre en évidence les avantages pratiques de ces modèles, il nous révèle aussi l'incapacité de ces modèles à conduire l'implantation des processus d'auto-organisation (implémenté par l'architecture décrite) vers des résultats satisfaisants. Ces résultats nous amènent à proposer une alternative aux modèles classiques de champs, basée sur un mécanisme de rétro-inhibition, qui implémente un processus local de régulation neuronale. Grâce à ce mécanisme, le nouveau modèle de champ réussit à implémenter avec succès le processus d'auto-organisation décrit par l'architecture proposée d'inspiration corticale. De plus, une analyse détaillée confirme que ce formalisme garde les caractéristiques dynamiques exhibées par les modèles classiques de champs neuronaux. Ces résultats ouvrent la perspective de développement des architectures de calcul neuronal de traitement d'information pour la conception des solutions logicielles ou robotiques bio-inspirées / In this work we propose a cortically inspired neural architecture capable of developping an emergent process of self-organization. In order to implement this neural architecture in a distributed manner, we use the dynamic neural fields paradigm, a generic mathematical formalism aimed at modeling the competition between the neural activities at a mesoscopic level of the cortical structure. In order to examine in detail the dynamic properties of classical models, we design a formal criterion and an evaluation instrument, capable of analysing and quantifying the dynamic behavior of the any neural field, in specific contexts of stimulation. While this instrument highlights the practical advantages of the usage of such models, it also reveals the inability of these models to help implementing the self-organization process (implemented by the described architecture) with satisfactory results. These results lead us to suggest an alternative to the classical neural field models, based on a back-inhibition model which implements a local process of neural activity regulation. Thanks to this mechanism, the new neural field model is capable of achieving successful results in the implementation of the self-organization process described by our cortically inspired neural architecture. Moreover, a detailed analysis confirms that this new neural field maintains the features of the classical field models. The results described in this thesis open the perspectives for developping neuro-computational architectures for the design of software solutions or biologically-inspired robot applications

Cette thèse considère les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) de grande dimension (de l'ordre du million de noeuds). Les questions posées sont les suivantes : comment prédire le bon fonctionnement et calculer avant déploiement les performances d'un tel réseau, sachant qu'aucun simulateur ne peut simuler un réseau de plus de 100 000 noeuds ? Comment assurer sa configuration pour garantir performance, passage à l'échelle, robustesse et durabilité ? La solution proposée dans cette thèse s'appuie sur une architecture de RCSF hétérogène à deux niveaux, dont le niveau inférieur est composé de capteurs et le niveau supérieur de collecteurs. La première contribution est un algorithme d'auto-organisation multi-canal qui permet de partitionner le réseau inférieur en plusieurs sous-réseaux disjoints avec un collecteur et un canal de fréquence par sous-réseau tout en respectant le principe de réutilisation de fréquence. La seconde contribution est l'optimisation du déploiement des collecteurs car leur nombre représente celui des sous-réseaux. Les problèmes traités ont été : l'optimisation des emplacements des puits pour un nombre prédéfini de puits et la minimisation du nombre de puits ou du coût pour un nombre prédéfini de sauts dans les sous-réseaux. Une solution intuitive et appropriée pour assurer à la fois performances réseaux et coût, est de partitionner le réseau inférieur en sous-réseaux équilibrés en nombre de sauts. Pour ce faire, la topologie physique des puits est une répartition géographique régulière en grille (carrée, triangulaire, etc.). Des études théoriques et expérimentales par simulation des modèles de topologie montrent, en fonction des besoins applicatifs et physiques, la méthodologie de choix et le calcul des meilleures solutions de déploiement. / This thesis considers the large-scale wireless sensor network (LSWSN) consisting of million nodes. The questions are: how to predict the good working and to compute before deployment the performances of such a network, knowing that no simulator can simulate a network of more than 100000 nodes? How to ensure its configuration to ensure performance, scalability, robustness and longevity? The solution proposed in this thesis is based on a two-tiered heterogeneous architecture of WSN in which the level 1 is composed of sensors and the level 2 of collectors. The first contribution is a multi-channel self-organization algorithm, which allows partitioning the network of level 1 into several disjointed sub-networks with one collector and one frequency channel while respecting the principle of frequency reuse. The second contribution is to optimize the deployment of collectors because their number represents that of sub-networks. The problems addressed were: the optimization of sinks locations for a predetermined number of sinks, and the minimization of financial cost related of the sinks? number, for a predetermined number of hops in the sub-networks. An intuitive and appropriate solution to ensure both network performance and cost is to partition the network of level 1 into balanced sub-networks in number of hops. To do this, the physical topology of sinks is a regular geographical grid (square, triangular, etc.). Theoretical studies and simulation of topology models show, depending on application requirements (node density, charge application, etc.) and physical (radio range, surveillance zone), the methodology of choice and the computation of the best deployment solutions.

La thèse propose une approche de l'apprentissage temporel par des mécanismes d'auto-organisation à grain fin. Le manuscrit situe dans un premier temps le travail dans la perspective de contribuer à promouvoir une informatique cellulaire. Il s'agit d'une informatique où les calculs se répartissent en un grand nombre de calculs élémentaires, exécutés en parallèle, échangeant de l'information entre eux. Le caractère cellulaire tient à ce qu'en plus d’être à grain fin, une telle architecture assure que les connexions entre calculateurs respectent une topologie spatiale, en accord avec les contraintes des évolutions technologiques futures des matériels. Dans le manuscrit, la plupart des architectures informatiques distribuées sont examinées suivant cette perspective, pour conclure que peu d'entre elles relèvent strictement du paradigme cellulaire.Nous nous sommes intéressé à la capacité d'apprentissage de ces architectures, du fait de l'importance de cette notion dans le domaine connexe des réseaux de neurones par exemple, sans oublier toutefois que les systèmes cellulaires sont par construction des systèmes complexes dynamiques. Cette composante dynamique incontournable a motivé notre focalisation sur l'apprentissage temporel, dont nous avons passé en revue les déclinaisons dans les domaines des réseaux de neurones supervisés et des cartes auto-organisatrices.Nous avons finalement proposé une architecture qui contribue à la promotion du calcul cellulaire en ce sens qu'elle exhibe des propriétés d'auto-organisation pour l'extraction de la représentation des états du système dynamique qui lui fournit ses entrées, même si ces dernières sont ambiguës et ne reflètent que partiellement cet état. Du fait de la présence d'un cluster pour nos simulations, nous avons pu mettre en œuvre une architecture complexe, et voir émerger des phénomènes nouveaux. Sur la base de ces résultats, nous développons une critique qui ouvre des perspectives sur la suite à donner à nos travaux. / The thesis proposes a sequence learning approach that uses the mechanism of fine grain self-organization. The manuscript initially starts by situating this effort in the perspective of contributing to the promotion of cellular computing paradigm in computer science. Computation within this paradigm is divided into a large number of elementary calculations carried out in parallel by computing cells, with information exchange between them.In addition to their fine grain nature, the cellular nature of such architectures lies in the spatial topology of the connections between cells that complies with to the constraints of the technological evolution of hardware in the future. In the manuscript, most of the distributed architecture known in computer science are examined following this perspective, to find that very few of them fall within the cellular paradigm.We are interested in the learning capacity of these architectures, because of the importance of this notion in the related domain of neural networks for example, without forgetting, however, that cellular systems are complex dynamical systems by construction.This inevitable dynamical component has motivated our focus on the learning of temporal sequences, for which we reviewed the different models in the domains of neural networks and self-organization maps.At the end, we proposed an architecture that contributes to the promotion of cellular computing in the sense that it exhibits self-organization properties employed in the extraction of a representation of a dynamical system states that provides the architecture with its entries, even if the latter are ambiguous such that they partially reflect the system state. We profited from an existing supercomputer to simulate complex architecture, that indeed exhibited a new emergent behavior. Based on these results we pursued a critical study that sets the perspective for future work.