La méthode de sélection de l'ovocyte pour l'insémination, dans le cadre de l'assistance médicale à la procréation chez l'homme, ne garantie pas un taux de réussite satisfaisant. Plusieurs études académiques ont été menées dans le but de compéter cette méthode par d'autres plus objectives. Nous nous sommes intéressés à la caractérisation mécanique qui exige un dispositif approprié. Dans ce contexte, nous avons effectué des travaux de conception et de fabrication pour développer une plateforme permettant la caractérisation mécanique des ovocytes humains. Le composant principal de cette plateforme est le capteur de nano-force. Ce dernier, qui emploie un principe de ressorts magnétiques passifs, est constitué d'un indenteur venant solliciter l'ovocyte. Dans cette configuration, l'indenteur est stable suivant deux directions. La troisième direction, initialement instable, est stabilisée par la réaction de l'ovocyte à caractériser. L'originalité de ce capteur réside dans l'exploitation de la direction instable pour la mesure de force. En parallèle, un travail de modélisation du comportement mécanique des ovocytes a été réalisé dans le but d'identifier d'éventuels paramètres mécaniques pertinents pour la qualification des ovocytes. Ce travail a permis, d'une part, d'effectuer une étude critique sur les modèles existants dans la littérature et d'autre part, de développer un modèle basé sur une approche plus physique qui prend en compte la structuration tridimensionnelle complexe de l'ovocyte. / The oocyte selection method for insemination, in the context of medically assisted procreation for humans, does not guarantee a good rate of success. Several academic studies have been conducted in order to complete this method by other more objective. We are interested in the mechanical characterization which requires an appropriate device. In this context, we carried out a design and a manufacturing work to develop a platform for the mechanical characterization of human oocytes. The main component of this platform is the nano-force sensor. This sensor, which uses a principle of passive magnetic springs, is composed of an indenter which compresses the oocyte. In this configuration, the indenter is stable along two directions. The third direction, initially unstable is stabilized by the reaction of the oocyte that has to be characterized. The originality of this sensor is the exploitation of the unstable direction for the force measurment. In parallel, a modeling work of the oocytes mechanical behavior was performed in order to identify some relevant mechanical parameters for their qualification. This work allowed us, first, to make a critical study of existing models in the literature, and secondly, to develop a model, based on a physical approach, which takes into account the oocyte complex three-dimensional structure.

La nécessité de pouvoir visualiser et manipuler des nano-échantillons de matériaux minéraux ou biologiques, tout en menant des expériences quantitatives de traction, compression, flexion et cisaillement, a mené au développement d’un dispositif de nano manipulation pouvant évoluer dans un microscope électronique à balayage en transmission environnemental.Un tel dispositif permettra donc de mesurer les différentes forces mises en jeu et de visualiser l’interface d’intérêt durant les différentes manipulations réalisées dans des conditions environnementales contrôlées (pression partielle de gaz de 10-8 à 2500 Pa, milieu liquide). Ce travail de thèse a permis le développement opérationnel d’un nanomanipulateur à 9 degrés de liberté (Nanomanipulateur 9D). Une fois construit, nous avons réalisé un logiciel de contrôle et d’acquisition des paramètres de positions et de déplacements. Nous avons développé et étalonné des nano-supports et nano-outils peu onéreux permettant la mesure de forces de l’ordre du nanonewton. Il s’agit de micro-aiguilles de verre préparées par la méthode de fusion étirage de baguettes de verre ordinaire ou borosilicaté au chalumeau. Ces micro-aiguilles ont été recouvertes d’une fine couche de métal (4 nm d’or pour nos essais) par pulvérisation cathodique afin de les rendre conductrices et réduire les effets de charges.Enfin, afin d’illustrer une partie des capacités de nano-caractérisation quantitative offertes par le nanomanipulateur, installé dans le MEBE, et d’évaluer ses limitations, nous avons réalisé une série de mesures quantitatives de flexion, d’adhérence et de frottement statique et dynamique sur différents types de nanoparticules dérivées du carbone. Les nanoparticules étudiées sont le noir de carbone partiellement fluoré (NCF), le graphite exfolié, les nano-disques et nano-cônes de carbone amorphe (CND-A et CNC-A), les nano-disques et nano-cônes de carbone graphitisé (CND-G et CNC).Les différentes mesures sur des nanoparticules dérivées de carbone :•On a effectué des mesures de raideurs d’un nano disque poly nano cristallin de carbone (CND-A). Une partie du nano-disque sélectionné est fixée sur une micro-aiguille, et l’autre partie est déformée élastiquement. La raideur angulaire en torsion mesurée est de l’ordre de 0,041 ± 0,009 µN*µm/°.• Dans les essais d’adhérence sur des contacts or/noir de carbone fluoré et or/graphite fluoré, on a noté une décroissance significative des forces et des énergies d’adhérence en fonction de la succession chronologique des essais. Cette décroissance peut être attribuée au transfert, par délamination, d’une fraction croissante de matériaux de la surface des nanoparticules sur la surface dorée des micro-aiguilles.•Des expériences de tribologie à l’échelle nanométrique ont été réalisées afin de mesurer quantitativement les coefficients de frottement statique et dynamique pour des contacts or/carbone établis entre l’extrémité libre d’une micro-aiguille dorée et la surface de différentes nanoparticules (graphite exfolié, CND-A et CND-G) et des contacts carbone/carbone établis entre les surfaces de deux nanoparticules. On a mesuré les coefficients de frottement dynamique sur des contacts or/CND-A (µD ≤ 0,05) et pour des contacts CND-A/CND-A (0.02 ≤ µD ≤0.2). Les résultats obtenus dans le cas des coefficients de frottement statiques sont de quelques ordres de grandeur supérieurs à ceux attendus. Ces différences ont été attribuées à un phénomène de « soudure » du contact dû au faisceau d’électrons.Pour chacune de ces expériences une analyse précise et minutieuse des images réalisées au MEB nous a permis d’extraire des données permettant de quantifier les phénomènes étudiés. / The need to be able to visualize and manipulate nano-samples of mineral or biological materials, while conducting quantitative tensile, compression, bending and shearing experiments, led to the development of a nano-manipulation device that can evolve in an electron microscope. scanning in environmental transmission.Such a device will therefore make it possible to measure the various forces involved and to visualize the interface of interest during the various manipulations performed under controlled environmental conditions (gas partial pressure of 10-8 to 2500 Pa, liquid medium).For each of these experiments a precise and meticulous analysis of the images realized with the SEM allowed us to extract data making it possible to quantify the phenomena studied.

Les systèmes et matériaux mécaniques non linéaires sont largement utilisés dans divers domaines. Cependant, leur modélisation et leur conception ne sont pas triviales car elles nécessitent une compréhension complète de leurs non-linéarités internes et d'autres phénomènes. Pour permettre une conception efficace, nous devons d'abord introduire des modèles de calcul afin de caractériser avec précision leur comportement complexe. En outre, de nouvelles techniques de conception inverse sont également nécessaires pour comprendre comment le comportement change lorsque nous modifions les paramètres de conception des systèmes mécaniques non linéaires et des matériaux. Par conséquent, dans cette thèse, nous présentons trois nouvelles méthodes pour la modélisation informatique et la conception de systèmes mécaniques non linéaires et de matériaux. Dans le premier article, nous abordons le problème de la conception de systèmes mécaniques non linéaires présentant des mouvements périodiques stables en réponse à une force périodique. Nous présentons une méthode de calcul qui utilise une approche du domaine fréquentiel pour la simulation dynamique et la puissante analyse de sensibilité pour l'optimisation de la conception afin de concevoir des systèmes mécaniques conformes avec des oscillations de grande amplitude. Notre méthode est polyvalente et peut être appliquée à divers types de systèmes mécaniques souples. Nous validons son efficacité en fabriquant et en évaluant plusieurs prototypes physiques. Ensuite, nous nous concentrons sur la modélisation informatique et la caractérisation mécanique des matériaux non linéaires dominés par le contact, en particulier les matériaux à emboîtement discret (DIM), qui sont des tissus de cotte de mailles généralisés constitués d'éléments d'emboîtement quasi-rigides. Contrairement aux matériaux élastiques conventionnels pour lesquels la déformation et la force de rappel sont directement couplées, la mécanique des DIM est régie par des contacts entre des éléments individuels qui donnent lieu à des contraintes de déformation cinématique anisotrope. Pour reproduire le comportement biphasique du DIM sans simuler des structures à micro-échelle coûteuses, nous introduisons une méthode efficace de limitation de la déformation anisotrope basée sur la programmation conique du second ordre (SOCP). En outre, pour caractériser de manière exhaustive la forte anisotropie, le couplage complexe et d'autres phénomènes non linéaires du DIM, nous introduisons une nouvelle approche d'homogénéisation pour distiller des limites de déformation à grande échelle à partir de simulations à micro-échelle et nous développons un modèle macromécanique basé sur des données pour simuler le DIM avec des contraintes de déformation homogénéisées. / Nonlinear mechanical systems and materials are broadly used in diverse fields. However, their modeling and design are nontrivial as they require a complete understanding of their internal nonlinearities and other phenomena. To enable their efficient design, we must first introduce computational models to accurately characterize their complex behavior. Furthermore, new inverse design techniques are also required to capture how the behavior changes when we change the design parameters of nonlinear mechanical systems and materials. Therefore, in this thesis, we introduce three novel methods for computational modeling and design of nonlinear mechanical systems and materials. In the first article, we address the design problem of nonlinear mechanical systems exhibiting stable periodic motions in response to a periodic force. We present a computational method that utilizes a frequency-domain approach for dynamical simulation and the powerful sensitivity analysis for design optimization to design compliant mechanical systems with large-amplitude oscillations. Our method is versatile and can be applied to various types of compliant mechanical systems. We validate its effectiveness by fabricating and evaluating several physical prototypes. Next, we focus on the computation modeling and mechanical characterization of contact-dominated nonlinear materials, particularly Discrete Interlocking Materials (DIM), which are generalized chainmail fabrics made of quasi-rigid interlocking elements. Unlike conventional elastic materials for which deformation and restoring forces are directly coupled, the mechanics of DIM are governed by contacts between individual elements that give rise to anisotropic kinematic deformation constraints. To replicate the biphasic behavior of DIM without simulating expensive microscale structures, we introduce an efficient anisotropic strain-limiting method based on second-order cone programming (SOCP). Additionally, to comprehensively characterize strong anisotropy, complex coupling, and other nonlinear phenomena of DIM, we introduce a novel homogenization approach for distilling macroscale deformation limits from microscale simulations and develop a data-driven macromechanical model for simulating DIM with homogenized deformation constraints.