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Um dos grandes mistérios da ciência é compreender como sistemas nervosos são capazes de realizar as extraordinárias operações computacionais que realizam. Provavelmente, encéfalos são as estruturas nas quais energia e matéria estão organizadas da forma mais complexa no universo. Central na computação cerebral está o conceito de neurônio. A forma como neurônios computam é motivo de intensa investigação científica. Um consenso atual é que neurônios formam grupos transientes (assembleias) a fim de representar coisas, de realizar operações computacionais, e de executar processos cognitivos; embora os mecanismos que fundamentam a computação por assembleias ainda não seja bem compreendido. Aqui é proposta uma forma pela qual se explica como computação por assembleias pode acontecer. Dois componentes são fundamentais para formação de coalizões neurais: a relação temporal entre grupos de neurônios e o fator de acoplamento entre eles. Assembleias pressupõe neurônios pulsantes; portanto, simulamos computação por assembleias em redes neurais pulsantes. A abordagem usada nesta tese é funcional; apresentamos um arcabouço teórico sobre propriedades, princípios, e dinâmicas que permitem operações computacionais por coalizões neurais. É apresentado na tese que: (i) quando neurônios formam assembleias está implícito que um tipo de função lógica estocástica ocorre, (ii) assembleias podem formar grupos com feedback, criando grupos biestáveis, (iii) grupos biestáveis criam representações internas dos eventos que os criaram, (iv) assembleias podem se ramificar e também dissolver outras assembleias, o que dá origem a algoritmos complexos. Esta é uma investigação inicial sobre computação em assembleias neurais, e há muito a ser feito. Nesta tese apresentamos os conceitos basais para esta nova abordagem. Há um conjunto de programas nos apêndices que permitem ao leitor simular formações de assembleias, ramificações, inibições, reverberações, entre outras propriedades e componentes de nossa proposta. / One of the greatest mysteries in science is to comprehend how brains are capable of realizing the extraordinary computational operations they do. Probably, brains are the structures in which matter and energy are organized in the most complex way in the Universe. Central to the brain computation is the concept of neuron. How neurons compute is motive of intensive scientific investigation. A prevailing consensus is that neurons form transient groups (assemblies) in order to represent things, for realizing computational operations, and for executing cognitive processes; although the mechanisms that substantiate such computation by neural assemblies are not yet well understood. In this thesis we propose a form that explains how neural assembly computation may occur. It is shown that two components are fundamentals for neural coalition formation: the temporal relation among neural groups, and the coupling factor among them. In this sense, neural assemblies presuppose spiking neurons; therefore, here we simulate assembly computing using spiking neural networks. In this thesis it is presented basically a functional approach; thus, it presents a theoretical approach concerning the properties, principles, characteristics, and components that allow the computational operations in neural coalitions. It is presented in the thesis that: (i) as neurons form assemblies it is implicit that a kind of stochastic logic function occurs; (ii) assemblies may form groups that feedback each other, creating bistable groups; (iii) bistable groups internally represent the event that created them; (iv) assemblies may branch and dissolve other assemblies, what give rise to complex algorithms. This is an initial investigation about neural assembly computing and there is a lot to be done; however, in this thesis we present the basal concepts for this new approach. There are programs in the appendices that allow the reader to simulate assembly formation, branching, inhibition, reverberation, among other properties and components in our proposal.

Um dos grandes mistérios da ciência é compreender como sistemas nervosos são capazes de realizar as extraordinárias operações computacionais que realizam. Provavelmente, encéfalos são as estruturas nas quais energia e matéria estão organizadas da forma mais complexa no universo. Central na computação cerebral está o conceito de neurônio. A forma como neurônios computam é motivo de intensa investigação científica. Um consenso atual é que neurônios formam grupos transientes (assembleias) a fim de representar coisas, de realizar operações computacionais, e de executar processos cognitivos; embora os mecanismos que fundamentam a computação por assembleias ainda não seja bem compreendido. Aqui é proposta uma forma pela qual se explica como computação por assembleias pode acontecer. Dois componentes são fundamentais para formação de coalizões neurais: a relação temporal entre grupos de neurônios e o fator de acoplamento entre eles. Assembleias pressupõe neurônios pulsantes; portanto, simulamos computação por assembleias em redes neurais pulsantes. A abordagem usada nesta tese é funcional; apresentamos um arcabouço teórico sobre propriedades, princípios, e dinâmicas que permitem operações computacionais por coalizões neurais. É apresentado na tese que: (i) quando neurônios formam assembleias está implícito que um tipo de função lógica estocástica ocorre, (ii) assembleias podem formar grupos com feedback, criando grupos biestáveis, (iii) grupos biestáveis criam representações internas dos eventos que os criaram, (iv) assembleias podem se ramificar e também dissolver outras assembleias, o que dá origem a algoritmos complexos. Esta é uma investigação inicial sobre computação em assembleias neurais, e há muito a ser feito. Nesta tese apresentamos os conceitos basais para esta nova abordagem. Há um conjunto de programas nos apêndices que permitem ao leitor simular formações de assembleias, ramificações, inibições, reverberações, entre outras propriedades e componentes de nossa proposta. / One of the greatest mysteries in science is to comprehend how brains are capable of realizing the extraordinary computational operations they do. Probably, brains are the structures in which matter and energy are organized in the most complex way in the Universe. Central to the brain computation is the concept of neuron. How neurons compute is motive of intensive scientific investigation. A prevailing consensus is that neurons form transient groups (assemblies) in order to represent things, for realizing computational operations, and for executing cognitive processes; although the mechanisms that substantiate such computation by neural assemblies are not yet well understood. In this thesis we propose a form that explains how neural assembly computation may occur. It is shown that two components are fundamentals for neural coalition formation: the temporal relation among neural groups, and the coupling factor among them. In this sense, neural assemblies presuppose spiking neurons; therefore, here we simulate assembly computing using spiking neural networks. In this thesis it is presented basically a functional approach; thus, it presents a theoretical approach concerning the properties, principles, characteristics, and components that allow the computational operations in neural coalitions. It is presented in the thesis that: (i) as neurons form assemblies it is implicit that a kind of stochastic logic function occurs; (ii) assemblies may form groups that feedback each other, creating bistable groups; (iii) bistable groups internally represent the event that created them; (iv) assemblies may branch and dissolve other assemblies, what give rise to complex algorithms. This is an initial investigation about neural assembly computing and there is a lot to be done; however, in this thesis we present the basal concepts for this new approach. There are programs in the appendices that allow the reader to simulate assembly formation, branching, inhibition, reverberation, among other properties and components in our proposal.

Dans le cadre des études sur le contrôle électronique de molécules individuelles pour l'électronique mono-moléculaire, ce travail de thèse aborde la problématique du transfert de charges à l'échelle atomique. Les études, utilisant un microscope à effet tunnel (STM), ont été menées de manière privilégiée sur la surface de silicium (100) hydrogénée à basse température (5K). Ce travail démontre la possibilité d'activer à distance un bistable atomique, composé d'un dimère de silicium portant un unique atome d'hydrogène. La manipulation atomique s'effectue grâce à un transfert de charges au travers des états de surface du Si:H (dopage de type n). Ces résultats montrent l'importance d'un contrôle à l'échelle atomique de la zone de contact entre les lignes atomiques considérées et le bistable. Par ailleurs, il a été observé que suivant la nature du dopage le bistable atomique présente différents états de charge. En particulier, sur un substrat de type p, il est possible de modifier l'état de charge de la liaison pendante d'un état neutre à un état chargé négativement et ce de manière réversible. D'autre part, cette thèse présente des résultats préliminaires sur des systèmes qui permettront d'étudier le transfert de charges entre deux molécules. Ce processus peut être envisagé de deux façons: soit en rapprochant deux molécules de sorte que la charge injectée par l'intermédiaire d'une pointe STM dans l'une des molécules puisse être transférée à une molécule voisine; soit en utilisant un polymère conducteur comme support au transfert de charges afin de permettre l'activation d'une fonction moléculaire chimiquement liée au polymère.

Les commutateurs mécaniquement bistables présentés dans la littérature possèdent généralement un contact électrique de type latéral ; la métallisation de ce type de contact se heurte à de nombreuses difficultés. Ce travail présente un composant comportant un contact de type plan, gage d'une meilleure résistance électrique que les composants possédant un contact de type latéral dans la mesure où la métallisation y est plus aisée. Nous proposons une architecture de commutateur bistable, c'est-à-dire ne consommant pas d'énergie en position de fonctionnement, qui repose sur la mise en compression d'une poutre de silice par les contraintes résiduelles de ce matériau. Un système bistable est ainsi obtenu grâce au flambage de cette poutre par ces contraintes résiduelles. Un modèle analytique d'une poutre soumise à une contrainte axiale est développé. Il permet de relier les propriétés de la poutre (son module d'Young, son épaisseur, sa longueur et ses contraintes résiduelles) avec la force de contact d'une part et la longueur de la zone de bistabilité d'autre part. Une bonne adéquation est trouvée entre ce modèle analytique et un modèle éléments finis développé sous ANSYS. Pour fabriquer ce composant, nous avons développé et utilisé un procédé comportant neuf niveaux de photolithographie, et se déroulant sur une cinquantaine d'étapes technologiques. La mise en mouvement du composant se fait à l'aide d'actionneurs thermiques réalisés en inconel. La puissance mise en œuvre pour la transition de la position de stabilité du haut à celle du bas est de 235 mW, celle pour le passage de la position stable du bas à celle du haut nécessite 480 mW. Nous montrons dans ce travail la faisabilité technologique d'un switch MEMS mécaniquement bistable dont la fabrication repose sur les contraintes résiduelles des couches minces. Pour améliorer ces prototypes, nous proposons de travailler sur le système d'actionnement, et sur l'intégration du composant avec son packaging.

Cette thèse porte sur l'analyse mathématique de modèles de réaction-dispersion. L'objectif est de comprendre l'influence du terme de réaction, de l'opérateur de dispersion, et de la donnée initiale sur la propagation des solutions de ces équations. Nous nous sommes intéressés principalement à deux types d'équations de réaction-dispersion : les équations de réaction-diffusion où l'opérateur de dispersion différentielle est le laplacien et les équations intégro-différentielles pour lesquelles l'opérateur de dispersion est de type convolution. Dans le cadre des équations de réaction-diffusion en milieu homogène, nous proposons une nouvelle approche plus intuitive concernant les notions de fronts progressifs tirés et poussés. Cette nouvelle caractérisation nous a permis de mieux comprendre d'une part les mécanismes de propagation des fronts et d'autre part l'influence de l'effet Allee, correspondant à une diminution de la fertilité à faible densité, lors d'une colonisation. Ces résultats ont des conséquences importantes en génétique des populations. Dans le cadre des équations de réaction-diffusion en milieu hétérogène, nous avons montré sur un exemple précis comment la fragmentation du milieu modifie la vitesse de propagation des solutions. Enfin, dans le cadre des équations intégro-différentielles, nous avons montré que la nature sur- ou sous-exponentielle du noyau de dispersion $J$ modifie totalement la vitesse de propagation. Plus précisément, la présence de noyaux de dispersion à queue lourde ou à décroissance sous-exponentielle entraîne l'accélération des lignes de niveaux de la solution.

Le développement récent en micro- et nano-technologies (dans des domaines tels que l'horlogerie, l'électronique, l'optique, le biomédical, . . .) a créé un fort besoin concernant des systèmes capables de manipuler et d'assembler des objets de plus en plus petits. La conception de stations robotisées, capables de manipuler des micro-objets, s'est multipliée à travers le monde, faisant intervenir des actionneurs de haute résolution adaptés au micromonde, ainsi que de nombreux capteurs. Ce mémoire ouvre une nouvelle voie pour le développement de robots de micromanipulation. Il présente la conception, la modélisation, la fabrication et la commande d'un nouveau concept de microrobot, le DiMiBot (Digital MicroroBot). Il s'agit du premier microrobot numérique - inspiré de l'électronique numérique - qui fait intervenir des actionneurs binaires pour générer un déplacement discret d'une grande précision sans nécessiter de capteur (en boucle ouverte). Ces actionneurs binaires extrêmement répétables et robustes (les modules bistables), assurent chacun un déplacement précis de 25 μm. Ils sont associés de manière monolithique à une architecture robotique parallèle flexible, assurant la génération d'un espace de travail discret, dont les 2N (N est le nombre de modules bistables utilisés au sein du DiMiBot) positions distincts atteignables sont parfaitement stables, répétables et robustes mécaniquement. Elles sont réparties de manière homogène dans un carré de10,5 μm de côté. La microfabrication du premier prototype de microrobot numérique en silicium - faisant suite à un dimensionnement minutieux en éléments finis - a été réalisé au sein de la salle blanche MIMENTO de l'institut FEMTO-ST. Ce DiMiBot possédant 4 modules bistables assure une résolution de 3,5 μm pour une répétable de chacune des 16 positions atteignables de 90 nm.

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The focus of the current research is to investigate the potential of using bistable unsymmetric cross-ply laminated composites as a means for achieving structures with morphed characteristics. To this end, an investigation of the design space for laminated composites exhibiting bistable behavior is undertaken and the key parameters controlling their behavior are identified. For this purpose a nonlinear Finite Element methodology using ABAQUS code is developed to predict both the cured shapes and the stability characteristics of unsymmetric cross-ply laminates. In addition, an experimental program is developed to validate the analytically predicted results through comparison with test data. A new method is proposed for attaching piezoelectric actuators to a bistable panel in order to preserve its favorable stability characteristics as well as optimizing the actuators performance. The developed nonlinear FE methodology is extended to predict the actuation requirements of bistable panels. Actuator requirements, predicted using the nonlinear FE analysis, are found to be in agreement with the test results. The current research also explores the potential for implementing bistable panels for Uninhabited Aerial Vehicle (UAV) wing configuration. To this end, a set of bistable panels is manufactured by combining symmetric and unsymmetric balanced and unbalanced stacking sequence and their stability characteristics are predicted. A preliminary analysis of the aerodynamic characteristics of the manufactured panels is carried out and the aerodynamic benefits of manufactured bistable panel are noted.

De nombreux systèmes électrochimiques sont composés d'un grand nombre d'éléments électroactifs en interaction. Si la réaction électrochimique possède une cinétique non linéaire, des comportements coopératifs complexes peuvent émerger suivant la nature et l’intensité des interactions entre les éléments du système. L'objectif de cette thèse est de comprendre l'influence de la taille finie de l’électrode et des interactions entre les microélectrodes sur le comportement coopératif d'un groupe de microélectrodes de platine soumis à un couplage global. Les réactions choisies pour cette étude sont l’électrooxydation du monoxyde de carbone (CO), une réaction avec une cinétique bistable et l’électrooxydation du formaldéhyde (HCHO), qui présente des oscillations de potentiel sous contrôle galvanostatique. Au cours de l’électrooxydation galvanodynamiques du CO sur une seule microélectrode de Pt, la branche S-NDR a pu être mise en évidence contrairement au comportement observé sur une macroélectrode de Pt. En outre, les nouveaux comportements coopératifs comme l'activation séquentielle des microélectrodes, des oscillations de courant et de potentiel spontanées et un régime de commutation dynamique entre les électrodes ont été découverts pour cette réaction lorsque quatre électrodes ont été couplées globalement. Pendant l’électrooxydation de HCHO, l'introduction du couplage global à deux électrodes conduit à des oscillations de courant en opposition de phase. / Many electrochemical systems are composed of a large number of interacting electroactive elements. If the reaction taking place on them has nonlinear kinetics and their interactions allow them to exchange information, complex cooperative behaviors can emerge. The objective of this thesis is to understand the influence of finite-size effects and cooperative phenomena on the global behavior of a group of coupled Pt microelectrodes. The reactions chosen for this study were CO electrooxidation, a reaction with current bistability, and HCHO electrooxidation, which exhibits oscillations under galvanostatic control. During the galvanodynamic electrooxidation of CO on a single microelectrode the S-NDR branch could be evidenced, on macroelectrodes this is not possible due to the formations of stationary domains. Additionally, novel cooperative behaviors (i.e., sequential activation, oscillations and complex switching) were discovered for this reaction when four electrodes were globally coupled. During HCHO electrooxidation the introduction of global coupling to two electrodes led to anti-phase current oscillations.