Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RAFAEL SILVEIRA XAVIER.pdf: 6103968 bytes, checksum: 1d52ca1ae861fc2f471419697e81c42f (MD5) Previous issue date: 2015-09-16 / Universidade Presbiteriana Mackenzie / Currently, the natural sciences are taking advantage of information and computing concepts to investigate the structure of nature and the interrelationships among the various natural systems. Furthermore, scientists from various fields are arguing that nature performs computations and others argue that the basic structure of the physical world is based on informational and computational processes. Within this scenario, there is the Natural Computing, whose main premise is to assume that natural phenomena can be interpreted from a computational perspective and that these phenomena can be modeled computationally and applied in different scientific contexts. Although Natural Computing is committed with the computational interpretation of nature, there is no theoretical framework that leads to the explanation of natural systems from a computational perspective. In this context, this thesis proposes a Conceptual Framework that allows to computationally explain the structures and processes within natural systems. The Conceptual Framework is based on a set of concepts and macroconcepts and its formalization consists of two sets of tools: a conceptual map with its graphical view of macroconcepts and concepts and their relationships; and a set of UML diagrams to computationally modeling the structures, processes and subprocesses present in natural systems. Thus, the proposed Conceptual Framework brings an intuitive and visual way to understand the natural systems under a computational perspective and to guide the modeling of bioinspired algorithms. From the perspective of a bioinspired analysis of algorithms, modeling tools allow to view conceptual gaps in the algorithms. Finally, the proposed Conceptual Structure is used as a tool for the analysis and synthesis of bioinspired algorithms, more specifically to develop algorithms inspired by the behavior of bacteria. In this way, the proposed framework aims to build an analysis and synthesis tool to collaborate for the theoretical and interdisciplinary maturation of Natural Computing. / Atualmente, as ciências naturais estão se valendo de conceitos de informação e computação para investigar a estrutura da natureza e as inter-relações entre os diversos sistemas naturais. Além disso, cientistas de diversas áreas estão argumentando que a natureza realiza computações e outros defendem que a estrutura básica do mundo físico está fundamentada em processos informacionais e computacionais. Dentro deste cenário, existe a Computação Natural, cuja principal premissa é assumir que os fenômenos naturais podem ser interpretados sob uma perspectiva computacional e que esses fenômenos podem ser modelados computacionalmente e aplicados em diferentes contextos científicos. Embora a Computação Natural se comprometa com a interpretação computacional da natureza não existe um corpo teórico que permita explicar os sistemas naturais sob uma perspectiva computacional. Neste contexto, esta tese propõe uma Estrutura Conceitual, que explica computacionalmente as estruturas e processos presentes nos sistemas naturais. A Estrutura Conceitual é embasada em um conjunto de conceitos e macroconceitos e sua formalização consiste em dois conjuntos de ferramentas: um mapa conceitual que representa uma visualização gráfica dos macroconceitos e conceitos e suas relações; e um conjunto de diagramas UML para modelar computacionalmente as estruturas, processos e subprocessos presentes nos sistemas naturais. Desta forma, a Estrutura Conceitual proposta traz consigo uma forma intuitiva e visual de entender os sistemas naturais sob uma perspectiva computacional e de guiar a modelagem de algoritmos bioinspirados. Da perspectiva da análise de algoritmos bioinspirados, as ferramentas de modelagem permitem visualizar lacunas conceituais na engenharia dos algoritmos estudados. Por fim, a Estrutura Conceitual proposta é utilizada como ferramenta para o projeto e desenvolvimento (síntese) de algoritmos bioinspirados, mais especificamente para o desenvolvimento de algoritmos inspirados no comportamento das bactérias. Desta forma, a Estrutura Conceitual proposta visa a construção de um ferramental de análise e síntese que colabore para o amadurecimento teórico e interdisciplinar da Computação Natural.

La polarisation est le phénomène qui décrit les orientations des oscillations des ondes lumineuses qui sont limitées en direction. La lumière polarisée est largement utilisée dans le règne animal,à partir de la recherche de nourriture, la défense et la communication et la navigation. Le chapitre (1) aborde brièvement certains aspects importants de la polarisation et explique notre problématique de recherche. Nous visons à utiliser un capteur polarimétrique-catadioptrique car il existe de nombreuses applications qui peuvent bénéficier d'une telle combinaison en vision par ordinateur et en robotique, en particulier pour l'estimation d'attitude et les applications de navigation. Le chapitre (2) couvre essentiellement l'état de l'art de l'estimation d'attitude basée sur la vision.Quand la lumière non-polarisée du soleil pénètre dans l'atmosphère, l'air entraine une diffusion de Rayleigh, et la lumière devient partiellement linéairement polarisée. Le chapitre (3) présente les motifs de polarisation de la lumière naturelle et couvre l'état de l'art des méthodes d'acquisition des motifs de polarisation de la lumière naturelle utilisant des capteurs omnidirectionnels (par exemple fisheye et capteurs catadioptriques). Nous expliquons également les caractéristiques de polarisation de la lumière naturelle et donnons une nouvelle dérivation théorique de son angle de polarisation.Notre objectif est d'obtenir une vue omnidirectionnelle à 360 associée aux caractéristiques de polarisation. Pour ce faire, ce travail est basé sur des capteurs catadioptriques qui sont composées de surfaces réfléchissantes et de lentilles. Généralement, la surface réfléchissante est métallique et donc l'état de polarisation de la lumière incidente, qui est le plus souvent partiellement linéairement polarisée, est modifiée pour être polarisée elliptiquement après réflexion. A partir de la mesure de l'état de polarisation de la lumière réfléchie, nous voulons obtenir l'état de polarisation incident. Le chapitre (4) propose une nouvelle méthode pour mesurer les paramètres de polarisation de la lumière en utilisant un capteur catadioptrique. La possibilité de mesurer le vecteur de Stokes du rayon incident est démontré à partir de trois composants du vecteur de Stokes du rayon réfléchi sur les quatre existants.Lorsque les motifs de polarisation incidents sont disponibles, les angles zénithal et azimutal du soleil peuvent être directement estimés à l'aide de ces modèles. Le chapitre (5) traite de l'orientation et de la navigation de robot basées sur la polarisation et différents algorithmes sont proposés pour estimer ces angles dans ce chapitre. A notre connaissance, l'angle zénithal du soleil est pour la première fois estimé dans ce travail à partir des schémas de polarisation incidents. Nous proposons également d'estimer l'orientation d'un véhicule à partir de ces motifs de polarisation.Enfin, le travail est conclu et les possibles perspectives de recherche sont discutées dans le chapitre (6). D'autres exemples de schémas de polarisation de la lumière naturelle, leur calibrage et des applications sont proposées en annexe (B).Notre travail pourrait ouvrir un accès au monde de la vision polarimétrique omnidirectionnelle en plus des approches conventionnelles. Cela inclut l'orientation bio-inspirée des robots, des applications de navigation, ou bien la localisation en plein air pour laquelle les motifs de polarisation de la lumière naturelle associés à l'orientation du soleil à une heure précise peuvent aboutir à la localisation géographique d'un véhicule / Polarization is the phenomenon that describes the oscillations orientations of the light waves which are restricted in direction. Polarized light has multiple uses in the animal kingdom ranging from foraging, defense and communication to orientation and navigation. Chapter (1) briefly covers some important aspects of polarization and explains our research problem. We are aiming to use a polarimetric-catadioptric sensor since there are many applications which can benefit from such combination in computer vision and robotics specially robot orientation (attitude estimation) and navigation applications. Chapter (2) mainly covers the state of art of visual based attitude estimation.As the unpolarized sunlight enters the Earth’s atmosphere, it is Rayleigh-scattered by air, and it becomes partially linearly polarized. This skylight polarization provides a significant clue to understanding the environment. Its state conveys the information for obtaining the sun orientation. Robot navigation, sensor planning, and many other applications may benefit from using this navigation clue. Chapter (3) covers the state of art in capturing the skylight polarization patterns using omnidirectional sensors (e.g fisheye and catadioptric sensors). It also explains the skylight polarization characteristics and gives a new theoretical derivation of the skylight angle of polarization pattern. Our aim is to obtain an omnidirectional 360 view combined with polarization characteristics. Hence, this work is based on catadioptric sensors which are composed of reflective surfaces and lenses. Usually the reflective surface is metallic and hence the incident skylight polarization state, which is mostly partially linearly polarized, is changed to be elliptically polarized after reflection. Given the measured reflected polarization state, we want to obtain the incident polarization state. Chapter (4) proposes a method to measure the light polarization parameters using a catadioptric sensor. The possibility to measure the incident Stokes is proved given three Stokes out of the four reflected Stokes. Once the incident polarization patterns are available, the solar angles can be directly estimated using these patterns. Chapter (5) discusses polarization based robot orientation and navigation and proposes new algorithms to estimate these solar angles where, to the best of our knowledge, the sun zenith angle is firstly estimated in this work given these incident polarization patterns. We also propose to estimate any vehicle orientation given these polarization patterns. Finally the work is concluded and possible future research directions are discussed in chapter (6). More examples of skylight polarization patterns, their calibration, and the proposed applications are given in appendix (B). Our work may pave the way to move from the conventional polarization vision world to the omnidirectional one. It enables bio-inspired robot orientation and navigation applications and possible outdoor localization based on the skylight polarization patterns where given the solar angles at a certain date and instant of time may infer the current vehicle geographical location.

Ce manuscrit traite de la conception d’un robot quadrirotor bio-inspiré. Ce robot, nommé QuadMorphing, s’inspire de l’oiseau et possède la capacité de se replier en vol afin de diminuer son envergure. Cette particularité est intéressante pour des problématiques d’évitement d’obstacles dans des milieux encombrés.Le travail présenté ici contient une présentation du robot où la plateforme mécatronique y est décrite en détails. Puis, des résultats expérimentaux sont présentés et commentés afin de quantifier les performances du prototype QuadMorphing durant des scénarios de franchissement d’obstacles.La deuxième partie de cette thèse traite de l’estimation de la taille d’obstacles en vol grâce à une perception visuelle monoculaire. Deux algorithmes d’estimation ont été simulés afin d’être validés pour être ensuite mis en place sur une nouvelle version du robot qui a été testée expérimentalement. Ces estimations permettent par la suite de rendre le robot plus autonome pour éviter les collisions avec son environnement et actionner son système de changement de forme si cela est nécessaire. / This paper describes a bio-inspired quadrotor design. This robot, called QuadMorphing, is inspired by birds and has the ability to fold its mechanical structure to reduce its wingspan during the flight. This feature could be useful for obstacle avoidance task in cluttered environments.The work presented here contains a full description of the mechatronic structure. Then, experimental results are presented and discussed in order to quantify the QuadMorphing performances during obstacle avoidance scenarios.The second part of this thesis deals with estimating obstacle size during flight using monocular visual perception. Two estimation algorithms were simulated in order to be validated and then implemented for experimental testing on a new version of the robot. In order to make the robot autonomous, the estimation of the size of the obstacle allows the robot to avoid collisions with its environment and to perform its morphological reduction if necessary.

Bioinspired robots are becoming more and more common and getting inspired by the solutions found in nature to tackle problems is often useful. Regarding the swimming robots Ąeld of research, we can get inspiration from swimming snakes. In the last twenty years several snake-like swimming robots have been conceived as their slender shape can allow more freedom in movements. It also may be less intrusive in an underwater environment. One problem encountered in swimming snake robots is to stabilize it on water surface and to control the head movement. Due to its shape it is very sensitive to rolling motion. A way to counter this is inspired by the swimming of the cottonmouth snake. By rotating its modules the robot can play on the buoyancy effect and gravity to stay stabilized and this would allow to stabilize the gaze of the robot. For that however we need to be able to locate the head, relatively to the water surface to have an absolute position of each module. The goal of this thesis is to conceive a perception module that would be able to reproduce the senses a cottonmouth snake uses to stabilize itself on the water surface. In order to achieve this an Inertial Measurement Unit is used to reproduce the information a snake gets from its inner ear. Distance sensors imitate the snakeŠs vision and provide an estimate of the distance of the head from the water surface. The perception module should be able to follow the movement of the snake robotŠs head relatively to the water surface. One of the challenges is that this module should be operational speciĄcally on water. To test the performances of the conceived perception module a hardware solution is presented in this thesis to simulate the movements of the robotŠs head above a water tank. This structure allows the perception module to do simple movements such as sinusoidal waves along the z axis or the movements the robot head would do when it is slightly disturbed, according to the simulation of that robot. The results show that the perception module has an accuracy similar to biological systems (the senses of the snake) so we believe that it will be usable to control the robotŠs stability. / Bioinspirerade robotar blir allt vanligare och det är ofta bra att låta sig inspireras av lösningar som Ąnns i naturen för att lösa problem. När det gäller forskningsområdet simulerande robotar kan vi inspireras av simulerande ormar. Under de senaste tjugo åren har Ćera ormliknande simrobotar utformats eftersom deras smala form ger större rörelsefrihet. Den kan också vara mindre påträngande i en undervattensmiljö. Ett problem med simmande ormrobotar är att stabilisera dem på vattenytan och att kontrollera huvudets rörelser. På grund av sin form är den mycket känslig för rullande rörelser. Ett sätt att motverka detta är inspirerat av vattenmockasinets simning: ett projekt vid IMT Atlantique-robotlabbet går ut på att arbeta med kroppens form genom att Ćytta robotens olika moduler. Genom att rotera modulerna kan roboten spela på Ćytkraften och gravitationen för att hålla sig stabil, vilket skulle göra det möjligt att stabilisera robotens blick. För detta måste vi dock kunna lokalisera huvudet i förhållande till vattenytan för att få en absolut position för varje modul. Målet med den här avhandlingen är att utforma en perceptionsmodul som skulle kunna återge de sinnen som ett vattenmockasin använder för att stabilisera sig på vattenytan. För att uppnå detta kommer en tröghetsmätningsenhet att användas för att reproducera den information som en orm får från sitt inneröra. Sedan kommer avståndssensorer att läggas till för att efterlikna ormens syn (eftersom vi behöver en uppskattning av huvudets avstånd från vattenytan). Uppfattningsmodulen bör kunna följa ormarobotens huvudets rörelse i förhållande till vattenytan. En av utmaningarna är att denna modul ska fungera speciĄkt på vatten. För att testa den tänkta uppfattningsmodulens prestanda presenteras i denna avhandling en hårdvarulösning för att simulera robothuvudets rörelser ovanför en vattentank. Denna struktur gör det möjligt för perceptionsmodulen att göra enkla rörelser, t.ex. sinusformade vågor längs z-axeln eller de rörelser som robothuvudet skulle göra när det störs en aning, enligt simuleringen av roboten. Resultaten kan analyseras med en biologisk utgångspunkt. Resultaten visar att perceptionsmodulen har en noggrannhet som liknar biologiska system (ormens sinnen) så vi tror att den kommer att kunna användas för att kontrollera robotens stabilitet.

Depuis la dernière décennie, le biomimétisme est une discipline en plein essor dans le monde du design durable. De plus en plus, cette stratégie prend place dans plusieurs facettes du design, que ce soit dans le design industriel, dans l’architecture ou encore dans le design urbain. Le livre de Janine Benyus intitulé Biomimétisme: Quand la Nature Inspire des Innovations Durables (1997) est largement reconnu comme étant le catalyseur de la stratégie et comme l’indique le titre du livre, le biomimétisme est très souvent associé à l’innovation. Le but principal de cette recherche est de mieux comprendre le lien entre le biomimétisme et l’innovation. Cette recherche sur le biomimétisme comprend un objectif mineur et deux objectifs majeurs. Le premier objectif cherche à comprendre le véritable lien entre le biomimétisme et l’écodesign. Le second objectif vise non seulement à valider la théorie selon laquelle le biomimétisme est une stratégie menant à des solutions de design innovantes, mais également à établir quels types d’innovations ont été générés par cette stratégie. Finalement, le troisième objectif est d’identifier les aspects du biomimétisme qui mènent à des solutions de design innovantes. Pour accomplir ces objectifs, cette recherche utilisera une approche qualitative supportée par des études de cas et une revue de littérature. Afin de contextualiser les deux derniers objectifs, cette étude établit que le biomimétisme et l’écodesign sont des stratégies complémentaires plutôt qu’en compétition. Les conclusions de cette recherche démontrent que la théorie proposant que le biomimétisme soit une stratégie d’innovation est valide et que la discipline est surtout apte à générer l’innovation radicale. Finalement, la recherche indique que l’analogie de distance et la transdisciplinarité sont les deux aspects du biomimétisme aidant à produire des solutions de design innovantes. Le biomimétisme est mieux connu dans le contexte du design durable et cette recherche permet de mieux comprendre le biomimétisme dans le contexte de l’innovation. Considérant que le biomimétisme est une discipline qui suscite beaucoup d’intérêt des milieux académiques et privés, cette recherche participe à l’expansion de la connaissance sur le sujet et propose de nouvelles pistes de recherche sur le biomimétisme et l’innovation. / Biomimicry is a growing design discipline that has gained much recognition throughout the last decade in sustainable design. The bioinspired design approach is finding its way across design disciplines from product design to architecture and urban design. The book, Biomimicry: Innovation Inspired by Nature, by Janine Benyus is credited to launch the design movement and as indicated in the title, biomimicry is often presented as a strategy for design innovation. The goal of this thesis is to gain a better understanding of biomimicry in the context of innovation. This study has two principal objectives and a minor objective. The first objective aims at understanding the correlation between biomimicry and ecodesign. The second objective is to validate the notion that biomimicry is a strategy supporting design innovation by establishing what kinds of innovation has been spawned by this approach. And finally the third objective is to identify the aspects of biomimicry that lead to innovative design solutions. To fulfill these objectives, this research will employ a qualitative approach and supported literature review and case studies. To contextualize the last two objectives, the study clarifies that the qualitative approach of biomimicry and the quantitative approach of ecodesign are actually complimentary and thus together form a more comprehensive approach to sustainable design. The findings of this study also validate that biomimicry supports innovation, specifically radical innovation. To finalize, the study demonstrates that the two aspects of biomimicry responsible for innovation are the use of distant analogy and transdisciplinarity. Biomimicry is typically observed in the context of sustainability and this thesis aims to observe and understand biomimicry in the context of innovation. Given the growing interest in biomimicry by academia and the private sector, this research also will propose new paths of research in biomimicry and innovation and thus hopefully provoke new insights on the subject.

Les phénomènes d'auto-assemblage sont au premier plan de la recherche en sciences des matériaux car ils comblent le vide laissé entre les procédés d'assemblage à l'échelle macroscopique et nanoscopique. L'auto-assemblage est basé sur l'organisation spontanée de composants individuels en motifs et structures. Contrôler l’agencement de la matière peut accroître les propriétés de matériaux en introduisant une certaine anisotropie. Cet agencement, comme de nombreux matériaux naturels le prouvent, peut même sous certaines conditions faire émerger de nouvelles caractéristiques. Au cours de ces trois années, nous avons utilisé l’ « ice templating » (texturation à la glace) pour déclencher l’alignement de plaquettes de dimensions microniques, le but final étant de répliquer la microstructure de la nacre. Cette technique induit la ségrégation des constituants d’une suspension à l’échelle du micron tout en obtenant des échantillons de quelques centimètres cubes. Ce procédé a permis la création de matériaux inorganique avec une microstructure semblable à la nacre, en additionnant trois niveaux de contrôles successifs : l’alignement local des plaquettes, l’alignement à longue distance des cristaux de glaces et enfin le contrôle de l’interface entre ces-mêmes plaquettes. L’utilisation d’une modélisation par éléments discrets nous a permis d’étudier la dynamique de l’auto-assemblage des particules anisotropes. Ce modèle, parce qu’il tient compte de la dynamique du procédé, nous a révélé comment l’organisation de ces particules se produit. La tomographie par rayon X a permis de visualiser les structures finales des échantillons et d’attester de la pertinence du modèle. L’alignement local des plaquettes dans les parois générées par la solidification de la glace peuvent accroître les propriétés fonctionnelles et structurales de composites. Dans ce cadres deux applications ont été étudiées : la conduction thermique dans des composites nitrure de bore hexagonal / silicone et les propriétés mécaniques d’alumine macroporeuses. Une adaptation du procédé a permis d’obtenir l’alignement à longue distance (quelques centimètres) des cristaux de glaces. Différents outils ont été développés pour caractériser la réponse fonctionnelle de ce type de composite en fonction de leurs architectures aux deux échelles considérées (celles des macropores et parois). Enfin, après la mise en place de ces deux niveaux de contrôle sur la structure, l’addition d’une phase vitreuse inorganique et de nanoparticules aux joints de grains des plaquettes a introduit, de façon similaire à la nacre, des interfaces pouvant dévier et arrêter la propagation de fissures. / Self-assembly phenomena are of prime interest in materials science, because they fill the gap between assembly of macrostructure and processing of nanomaterials. Self-assembly is based on the spontaneous organization of individual small constituents into patterns and structures. Controlling the spatial arrangement can possibly improve materials properties by maximizing its response in a given direction. Furthermore, particular types of spatial arrangement, such as found in natural structures, can even induce new properties. During the past three years, we have used ice templating process to trigger the assembly of platelet-shaped particles to replicate the hierarchical structure of nacre. Control over this technique allowed structural customization at different length-scales: local orientation of the platelets, ice crystal long range order, and the control if the interfaces between the platelets. This hierarchical process has set the ground for the creation of a new fully mineral nacre-like alumina. The local platelet self-assembly triggered by ice growth was investigated by Discrete Element Modelling which provided new insight into the dynamic phenomenon responsible for the particles alignment. Synchrotron X-ray tomography was used to validated the model results. The different architecture observed in the final samples are not the result of a percolation threshold, as one could expect, but is instead a consequence of the delicate balance between pushing and engulfment at the solidification front. The local alignment of platelets can be beneficial for the functional and structural characteristics of composites and relevant aspects for two potential applications were investigated: the thermal properties of the hexagonal boron nitride/silicon rubber composites and the mechanical properties of macroporous alumina. Further adaptation of the process allowed for long range ordering of the ice crystals (up to the centimeter scale). Different tools have also been developed in order to characterize the response of composites as a function of the architecture at the level of the macropores and particle organisation. Once those two levels of alignment were achieved, the addition of a glassy phase and nanoparticles to the grain boundaries of the platelets introduces, just like in nacre, interfaces capable of deflect and even stopping crack propagation.

La capacité à percevoir des courants dans un fluide s'est développée chez de nombreuses espèces animales, dans des contextes écologiques très variés qui couvrent aussi bien les interactions proies-prédateurs, la sélection sexuelle ou l'orientation dans un environnement. Parmi ces espèces animales, les grillons détectent les courants d'air générés notamment lors de l'attaque de leurs prédateurs à l'aide de deux organes appelés "cerques", situés à l'arrière de leur abdomen et recouverts de poils mécano-sensoriels. Ces senseurs sont considérés comme les détecteurs les plus sensibles du monde animal. Il leur suffit de capter l'énergie d'un dixième d'un photon pour déclencher un potentiel d'action au niveau du neurone sensoriel. Ce manuscrit présente à la fois le développement des outils de mesures sans contact adaptés à ces questions d'écologie sensorielle ainsi que les méthodes numériques simulant les processus physiques à l'oeuvre. L'étude du fonctionnement des senseurs a nécessité l'adaptation des méthodes de mesures non intrusives de très grande précision tel que la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). La couche limite oscillante dans laquelle évoluent les poils a été visualisée et a servi à déterminer la réponse de poils modélisés par des systèmes oscillatoires du second ordre. Le couplage visqueux entre poils a été lui aussi caractérisé en adaptant la PIV à des mesures à très petites échelles sur des poils biomimétiques micro-electro-mécanique (MEMS). Les mesures des perturbations générées lors des attaques d'araignées, principales prédatrices des grillons, nous ont aidé à valider des modélisations numériques, réalisées à l'aide des techniques de dynamique des fluides computationnelles (CFD) par résolution des équations de Navier Stokes via la méthode des éléments finis (FEM). La mise au point et l'utilisation de techniques de métrologie optique en dynamique des fluides semi-visqueux et l'analyse des données nous permettent de revisiter la sensibilité extrême du système sensoriel du grillon et de placer ces mesures dans un contexte plus large, d'écologie sensorielle. En particulier, nous montrons que ces soies sont placées en groupe compact et exercent entre elles un fort couplage aérodynamique visqueux, qui réduit fortement leur sensibilité "de groupe". Ce fort couplage interroge l'intérêt d'avoir des récepteurs aussi performants individuellement, s'ils perdent leur sensibilité lorsqu'ils fonctionnent en réseau. Finalement, les réactions des poils à des mouvements de fluides générés par un piston mimant les attaques réelles d'araignées ont pu être déterminées à l'aide d'une caméra rapide, puis simulées et validées après avoir développé un modèle mécanique du poil répondant à des stimuli transitoires. / Flow sensing is used by a vast number of animals in various ecological contexts, from preypredator interactions to mate selection, and orientation to flow itself. Among these animals, crickets use hundreds of filiform hairs on two cerci as an early warning system to detect remote potential predators. Over the years, the cricket hairs have been described as the most sensitive sensor in the animal kingdom. The energy necessary for the emission of an action potential by its sensory neuron was estimated to be a tenth of the energy of a photon. This PhD thesis aims to describe recent technological advances in the measurement and model of flows around biological and artificial flow sensors in the context of organismal sensory ecology. The study and understanding of the performance of sensory systems requires a high spatial precision of non-intrusive measurement methods. Thus, non-contacting measurement methods such as and Particle Image Velocimetry (PIV), originally developed by aerodynamics and fluid mechanics engineers, have been used to measure flows of biological relevance. The viscous oscillatory boundary layer surrounding filiform hairs has been visualized and used as input to model the mechanical response of these hairs, described as second order mechanical systems. The viscous hydrodynamic coupling occurring within hair canopy was also characterized using PIV measurements on biomimetic micro-electro-mechanical systems (MEMS) hairs, mimicking biological ones. Using PIV, we have also measured the air flow upstream of hunting spiders. We prove that this flow is highly conspicuous aerodynamically, due to substantial air displacement detectable up to several centimeters in front of the running predator. This disturbance of upstream air flows were also assessed by computational fluid dynamics (CFD) with the finite elements method (FEM). The development of non-intrusive measurement and CFD methods and their application to the analysis of the biological flow involved in cricket sensory ecology allowed us to revisit the extreme sensitivity of cricket filiform hairs. We predicted strong hydrodynamic coupling within natural hair canopies and we addressed why hairs are packed together at such high densities, particularly given the exquisite sensitivity of a single hair. We also proposed a new model of hair deflection during the arrival of a predator, by taking into account both the initial and long-term aspects of the flow pattern produced by a lunging predator. We conclude that the length heterogeneity of the hair canopy mirrors the flow complexity of an entire attack, from launch to grasp.

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<p dir="ltr">Origami has emerged as a design paradigm to realize morphing structures with rich kinematic and mechanical properties. Biological examples augment the potential folding design space by suggesting intriguing routes for achieving and expanding crease patterns which traditional origami laws are unable to capture. Specifically, spring origami theory exploits the material system architecture and energy storage mechanism of the earwig wing featuring one of the highest folding ratios in the animal kingdom (1:18), minimal energy required for deployment and collapse of the wing, and bistability locking the wing in closed, and open configurations for crawling through tunnels, and flight, respectively. The central mechanism responsible for bistability in the wing features a non-developable crease pattern with a non-zero Gaussian curvature. Reconfiguring, or even flattening a structure with such an intrinsic property requires stretching or tearing; soft, rubbery material found in the creases of the central mechanism allows for stretching enabling shape transformations between open and closed states without tearing. In the first part of this thesis, such characteristics are transferred to a synthetic bistable soft robotic gripper leveraging the shape adaptability and conformability exhibited by the biological organism to minimize actuation energy. This is achieved by integrating soft, flexible material in the bioinspired gripper that allows kinematically driven geometries to grasp and manipulate objects without continuous actuation. Secondly, the stiffening effect from spring origami is utilized in a bioinspired wing for an aerial--aquatic robot. Transitions between air and sea in multimodal robots is challenging, however, a structurally efficient and multifunctional membrane is developed to increase locomotive capabilities and longer flights. This is motivated by the flying fish's locomotive modules and origami design principles for deployment and folding. Additionally, to keep the wing in a stiff state while gliding, spring origami bistable units are integrated into the membrane inducing self-stiffening and a global curvature reducing energy expenditure while generating lift. While the previous examples present solutions to adaptive manipulation and membrane multifunctionality, once programmed, their shapes are fixed. In the third application, a class of multistable self-folding origami architectures that are reprogrammable post fabrication are presented. This is achieved by encoding prestrain in bilayer creases with anisotropic shrinkage that change shape and induce a local curvature in the creases in response to external stimuli. The topology of the energy landscapes can thus be tuned as a function of the stimulation time and adaptable post fabrication. The proposed method and model allows for converting flat sheets with arranged facets and prestrained mountain-valley creases into self-folding multistable structures. Lasty, encoding crease prestrain is leveraged to manufacture a biomimetic earwig wing featuring the complex crease pattern, structural stability, and rapid closure of the biological counterpart. The presented method provides a route for encoding prestrain in self-folding origami, the multistability of which is adaptable after fabrication.</p>

Miesmuscheln inspirieren zur nächsten Generation von wasserbasierten Nassklebstoffen. Muschelfußproteine (mfps) ermöglichen es den Muscheln, sich an jede Oberfläche zu haften und zeigen bemerkenswerte Eigenschaften, die insbesondere durch das Aminosäurederivat 3,4 Dihydroxyphenylalanin (Dopa) verursacht werden. Da der Einfluss von Wasser nach wie vor eine große Herausforderung für Klebeanwendungen darstellt und die Herstellung und Reinigung von Klebeproteinen viel Zeit und Kosten erfordert, ist ein einfacher Zugang zu biomimetischen Klebstoffen von großem Interesse. Die vorliegende Arbeit untersucht einen neuartigen Muschel-inspirierten Polymerisationsansatz zur Herstellung von adhäsiven Proteinanaloga aus Oligopeptiden (Unimeren). Der Polymerisationsmechanismus nutzt einen Reaktionsweg, der in Miesmuscheln auftritt und beruht auf einer enzymatischen Oxidation von Tyrosin zu Dopachinon, das mit freien Thiolen aus Cystein Cysteinyldopa bildet, wodurch Unimere verknüpft und adhäsive Funktionalitäten erzeugt werden. Innerhalb weniger Minuten entstehen hochmolekulare Polymere, die ein vielseitiges Adsorptions- und starkes Adhäsionsverhalten demonstrieren. Die Proteinanaloga weisen eine signifikante Multischicht-Adsorption auf hydrophilen sowie hydrophoben Oberflächen auf und sind resistent gegenüber Spülschritten mit hochkonzentrierten Salz-Lösungen. Die beobachteten Adhäsionsenergien liegen im Bereich von kommerziellen mfp-Extrakten und überschreiten sogar berichtete Werte für isolierte mfps. Die Arbeit präsentiert eine einfache Synthese künstlicher mfp-Analoga, die in der Lage sind Aspekte natürlicher mfps nachzuahmen und potenziell zur Entwicklung von wasserresistenten Universalklebstoffen beitragen. Um die Bedingungen für eine kostengünstige, großtechnische Produktion zu verbessern, werden zusätzlich alternative Synthesewege für die enzymfreie Herstellung Muschel-inspirierter Polymere untersucht, die auf der chemischen Oxidation von Dopa-haltigen Unimeren beruhen. / Marine mussels provide inspiration for the next generation of water-based, wet adhesives. Mussel foot proteins (mfps) enable them to attach to any surface and exhibit remarkable properties, notably due to the amino acid derivative 3,4-dihydroxyphenylalanine (Dopa). Since the influence of water still constitutes a major challenge for gluing applications and large-scale production and purification of adhesive proteins is time-consuming and costly, an easy access route toward biomimetic adhesives is of high interest. This thesis investigates a novel mussel-inspired polymerization approach for the production of adhesive protein analogues from oligopeptides (unimers). The polymerization mechanism exploits a distinct reaction pathway, occurring in mussels and relies on enzyme-mediated oxidation of tyrosine to Dopaquinone in the unimers, which forms cysteinyldopa with free thiols from cysteine, thereby linking unimers and generating adhesive moieties. Within a few minutes high molecular weight polymers are obtained that show versatile adsorption and strong adhesion behaviour. The protein analogues exhibit significant multilayer adsorption onto hydrophilic as well as hydrophobic surfaces and resist rinsing with highly saline solutions. Comparative adhesion studies on silica reveal adhesion energies that are in the same range as commercial mussel foot protein extracts and even exceed reported values for isolated foot proteins that constitute the gluing interfaces. The approach offers facile access toward artificial mussel foot proteins that are capable of mimicking aspects of the natural ideal and potentially helps to develop next-generation universal water resistant glues. In order to further improve the conditions regarding cost-efficient and large-scale production in the future, alternative synthesis routes for the enzyme-free generation of mussel-inspired polymers based on chemical oxidation of Dopa containing unimers are additionally explored.