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Hydrogel smart polymers have achieved a great attention in the research area of drug delivery, MEMS/NEMS, microfluidics and sensor design because of their responsiveness to various environmental stimuli- pH, temperature, light, electric field, enzyme etc. This thesis presents the modeling, fabrication and study of the bending deformation of magnetic field sensitive hydrogel micro fibers called ferrogels. The objective is to externally actuate the ferrogel fibers by applying magnetic field, for the application of targeted drug delivery inside the alveoli of a human lung. Prediction of the bending deformation of the ferrogel fibers is done by the Multiphysics Finite Element Modeling in an Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) framework. Ferrogel micro fibers are fabricated and the bending deforma-tion is studied experimentally by varying the aspect ratio of the fibers, volume fraction of the magnetic particle content of the fibers and the magnetic field strength. The numerical and experimental results are compared. This is the first attempt to numerically predict the bending deformation of ferrogel micro-fibers.

The use of optical interconnects is a promising solution to the increasing demand for high speed mass data transmission used in integrated circuits as well as device to device data transfer applications. For the purpose, low cost polymer waveguides are a popular choice for routing signal between devices due to their compatibility with printed circuit boards. In optical interconnect, coupling from an external light source to such waveguides is a critical step, thus a variety of couplers have been investigated such as grating based couplers [1,2], evanescent couplers [3], and embedded mirrors [4–6]. These couplers are inherently micro-optical components which require fast and scalable fabrication for mass production with optical quality surfaces/structures. Low NA laser direct writing has been used for fast fabrication of structures such as gratings and Fresnel lenses using a linear laser direct writing scheme, though the length scale of such structures are an order of magnitude larger than the spot size of the focused laser of the tool. Nonlinear writing techniques such as with 2-photon absorption offer increased write resolution which makes it possible to fabricate sub-wavelength structures as well as having a flexibility in feature shape. However it does not allow a high speed fabrication and in general are not scalable due to limitations of speed and area induced by the tool’s high NA optics. To overcome such limitations primarily imposed by NA, we propose a new micro-optic fabrication process which extends the capabilities of 1D, low NA, and thus fast and scalable, laser direct writing to fabricate a structure having a length scale close to the tool's spot size, for example, a mirror based and 45 degree optical coupler with optical surface quality. The newly developed process allows a high speed fabrication with a write speed of 2600 mm²/min by incorporating a mask based lithography method providing a blank structure which is critical to creating a 45 degree slope to form the coupler surface. In this method, instead of using an entire exposure in a pixelated manner, only a portion of the Gaussian profile is used, allowing a reduced surface roughness and better control of the surface shape than previously possible with this low NA beam. The surface figure of the mirror is well controlled below 0.04 waves in root-mean-square (RMS) at 1.55 μm wavelength, with mirror angle of 45±1 degrees. The coupling efficiency is evaluated using a set of polymer waveguides fabricated on the same substrate as the complete proof of concept device. Device insertion loss was measured using a custom built optical test station and a detailed loss analysis was completed to characterize the optical coupling efficiency of the mirror. Surface roughness and angle were also experimentally confirmed. This process opens up a pathway towards large volume fabrication of free-form and high aspect ratio optical components which have not yet pursued, along with well-defined optical structures on a single substrate. In this dissertation, in Chapter 1, we provide an overview of optical surface fabrication in conjunction with current state of the art on fabrication of free form surfaces in macro and microscopic length scale. The need for optical interconnects is introduced and fabrication methods of micro-optical couplers are reviewed in Chapter 2. In Chapter 3, the complete fabrication process of a mirror based coupler is presented including a custom alignment procedure. In Chapter 4, we provide the integration procedure of the optical couplers with waveguides. In Chapter 5, the alignment of two-lithographic methods is discussed. In Chapter 6, we provide the fabrication procedure used for the waveguides. In Chapter 7, the experimental evaluation and testing of the optical coupler is described. We present a custom test station used for angle verification and optical coupler efficiency measurement. In Chapter 8, a detailed loss analysis of the device is presented including suggestions for future reductions in loss. Conclusions and future work considerations are addressed in Chapter 9.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les procédés de filtration sont grandement utilisés en industrie laitière pour pré-concentrer le lait fromager et séparer les constituants du lait. L'ultrafiltration est le procédé le plus couramment utilisé pour la concentration du lait. Plusieurs avantages y sont associés telque l'augmentation du rendement fromager ainsi que la productivité des usines. Cependant, son désavantage majeur est la production d'un volume important de perméat qui doit être valorisé. Il y a un intérêt grandissant pour l'utilisation de concentrés d'osmose inverse (OI) en fromagerie pour les aspects environnementaux et économiques. Des gains de rendements sont envisagés avec la filtration par OI étant donné que tous les constituants sont concentrés et peuvent être potentiellement retenus dans le fromage. Aussi, le perméat produit est essentiellement de l'eau et peut être réutilisé en usine comme eau de procédé. Cependant, quelques études ont montré que la concentration du lait par OI modifiait defaçon importante ses propriétés technologiques. Le but de cette thèse était d'évaluer l'impact du caséinate de sodium (NaCas) sur les propriétés physicochimiques et fromagères des concentrés d'OI. Une première étude a permis de mettre en évidence l'impact d'ajouter une portion de caséinate de sodium (NaCas) sur les propriétés physicochimiques et de coagulation des concentrés d'OI. Des concentrés d'OI ont été préparés selon trois facteurs de concentration (CF) (1X, 1,5X et 2X) et cinq proportions de NaCas (0, 6, 12 ,18 et 24%). La substitution de la caséine du lait par du NaCas a modifié de façon notable l'équilibre soluble-colloïdal des concentrés d'OI. L'ajout de NaCas aux concentrés d'OI a augmenté le pH et la proportion de caséine soluble. Aussi, les propriétés de coagulation ont été fortement impactées par l'ajout de NaCas. Certains échantillons n'ont même pas coagulé après l'ajout de présure. Cette première partie a permis d'avoir une caractérisation des concentrés d'OI et de sélectionner les meilleures conditions pour la seconde partie du projet. Dans la seconde étude, l'impact de l'ajout d'une portion de NaCas sur les propriétés fromagères des concentrés d'OI a été déterminé en utilisant la méthode par acidification directe (pH 6), sans ajout de ferment. Les conditions choisies étaient 1,5 et 2X pour le CFet 0, 6, 12 et 18% pour la proportion de NaCas. L'ajout de NaCas a diminué les rendements fromagers mais a amélioré les propriétés fromagères des concentrés d'OI en diminuant l'humidité et la minéralisation des fromages. Malgré la baisse de rendement (liée à une plusfaible humidité), une quantité notable de lactose est restée dans le fromage. Également, l'ajout de NaCas a augmenté le taux de rétention des protéines dans le fromage et amélioréles propriétés rhéologiques des fromages. Finalement, la troisième étude a permis de comparer différents leviers technologiques (acide citrique, NaCas et la combinaison de l'acide citrique et du NaCas) afin de déminéraliser la micelle de caséines des concentrés d'OI 2X. Les propriétés physicochimiques et fromagères des concentrés d'OI ont été évaluées. Les trois leviers technologiques ont modifié l'équilibre soluble-colloïdal des concentrés d'OI et l'effet était plus important pour la combinaison que lorsque l'acide citrique et le NaCas étaient utilisés individuellement. Pour les propriétés fromagères, l'acide citrique a eu moins d'effet que le NaCas et la combinaison. Le NaCas et la combinaison ont augmenté le taux de rétention protéique dans le fromage et diminué les rendements fromagers bruts et ajustés à l'humidité. Ce projet a permis d'apporter de nouvelles connaissances sur l'utilisation de NaCas dans les concentrés d'OI afin d'améliorer leurs propriétés fromagères. Cette thèse fournit des pistes à envisager pour optimiser l'utilisation des concentrés d'OI en fromagerie. / Filtration processes are widely used in the dairy industry to pre-concentrate cheese milk and separate milk constituents. Ultrafiltration is the most commonly used process for milk concentration. Several advantages are associated with it, such as the increase in cheese yield and factory productivity. However, its major disadvantage is the production of a large volume of permeate which must be valued. There is a growing interest in using reverse osmosis (RO) concentrates in cheesemaking for environmental and economic aspects. Yield gains are expected with RO filtration as all constituents are concentrated and can potentially be retained in the cheese. Also, the permeate produced is essentially water and can be reused in the plant as process water. However, some studies have shown that the concentration of milk by RO significantly modifies its cheesemaking properties. The aim of this thesis was to evaluate the impact of sodium caseinate (NaCas) on the physicochemical and cheese-making properties of RO concentrates. A first study highlighted the impact of adding a portion of sodium caseinate (NaCas) on the physicochemical and coagulation properties of RO concentrates. RO concentrates were prepared according to three concentration factors (CF) (1X, 1.5X and 2X) and five proportions of NaCas (0, 6, 12, 18 and 24%). The substitution of milk casein by NaCas markedly modified the soluble-colloidal balance of the RO concentrates. Adding NaCas to RO concentrates increased the pH and the proportion of soluble casein. Also, the coagulation properties were strongly impacted by the addition of NaCas. Some samples did not even coagulate after adding rennet. This first part made it possible to have a complete characterization of the RO concentrates and to select the best conditions for the second part of the project. In the second study, the impact of adding a portion of NaCas on the cheese properties of RO concentrates was determined using the direct acidification method (pH 6), without adding starter culture. The conditions chosen were 1.5 and 2X for the CF and 0, 6, 12 and 18% for the proportion of NaCas. Adding NaCas decreased cheese yields but improved the cheesemaking properties of RO concentrates by decreasing the moisture and mineralization of cheeses. Despite the drop in yield, a noticeable amount of lactose remained in the cheese. Also, the addition of NaCas increased the protein retention rate in cheese and improved the rheological properties of cheeses. Finally, the third study made it possible to compare different technological levers (citric acid, NaCas and the combination of citric acid and NaCas) in order to demineralize the casein micelle of 2X RO concentrates. The physicochemical and cheese properties of the RO concentrates were evaluated. All three technology levers altered the soluble-colloidal balance of the RO concentrates and the effect was greater for the combination than when used individually. For cheesemaking properties, citric acid had less effect than NaCas and the combination. NaCas and the combination increased the protein retention rate in cheese and decreased cheese yields. This project provided new knowledge on using NaCas in RO concentrates to improve their cheese properties. This thesis provides avenues to consider in order to optimize the use of RO concentrates in cheesemaking.

Malgré une composition très similaire à celle d’un lait écrémé, le babeurre présente une aptitude à la coagulation par la présure inférieure ce qui limite son utilisation en fromagerie. L’étape d’agrégation des micelles de caséine par la présure est notamment gouvernée par des interactions hydrophobes. Or, les composantes issues de la membrane du globule gras du lait (MFGM), retrouvées dans le babeurre, sont reconnues pour leurs propriétés tensioactives. Par conséquent, elles pourraient interférer dans le processus de coagulation du lait. Dans le cadre des travaux de cette thèse, les constituants du babeurre ont été séparés par centrifugation en différentes fractions. La composition de ces fractions a été analysée et leur impact sur la coagulation des micelles de caséines par la présure a été mesuré. Une attention particulière a été portée à la phase d’agrégation des micelles de caséine. Dans le premier travail présenté, la phase soluble du babeurre a été séparée en trois fractions différenciées par leur contenu en protéines et en matières grasses. L’étude de ces trois fractions a permis de conclure que des particules, probablement constituées de fins globules de gras et des fragments membranaires de densité élevée, nuisent à l’agrégation et à la coagulation des micelles de caséine emprésurées. La présence de caséine micellaire résiduelle dans cette phase soluble a toutefois limité l’interprétation de certains résultats. Par conséquent, pour l’étude présentée au chapitre suivant, le citrate de sodium a été utilisé afin de dissocier cette caséine. Des fragments de MFGM ont ensuite été récupérés par ultracentrifugation(100 000 x g). Contrairement aux composantes précédemment isolées, leur impact sur le processus d’agrégation des micelles de caséine emprésurées a été peu important, bien qu’un effet négatif ait été observé sur la coagulation. D’autres expérimentations seront donc nécessaires afin de mieux comprendre le mécanisme d’interférence à la coagulation de ces composantes. En marge de ces études, les propriétés fromagères d’un babeurre ont été comparées à celles d’un concentré de protéines du lactosérum dénaturé (WPC-D). Comparativement à cet ingrédient largement utilisé en fromagerie industrielle, le babeurre utilisé a permis l’obtention de gels plus fermes, plus rapidement, et a limité la rétention d’humidité dans les fromages. La récupération des protéines et des lipides dans les caillés a également été supérieure en présence de babeurre que du WPC-D. L’impact des fractions solubles de ces ingrédients a été évalué et s’est révélé négligeable. Ceci suggère que, dans cette étude, les effets observés du babeurre sont principalement attribuables à son contenu en caséine. La dénaturation thermique du babeurre, du concentré de protéines du lactosérum (WPC) ou d’une combinaison de ces deux produits en condition acide (pH 4.6) a également été testée et a permis d’accroître la rétention protéique dans les fromages, mais le babeurre utilisé seul (traité thermiquement ou non) demeure l’ingrédient permettant la meilleure récupération des constituants tout en limitant le gain d’humidité. En conclusion, la centrifugation du babeurre sous différentes conditions a permis d’obtenir des fractions différenciées et d’évaluer leur impact sur la coagulation des micelles de caséine par la présure et plus particulièrement sur la phase d’agrégation. Certaines composantes de la phase soluble (fins globules et fragments membranaires de haute densité) nuisent à l’agrégation des micelles de caséines emprésurées, alors que des fragments isolés à la suite d'un traitement de dissociation au citrate de sodium interfèrent dans le processus de coagulation via d’autres mécanismes non encore élucidés. Néanmoins, la contribution de la caséine micellaire contenue dans le babeurre dans la formation et les propriétés des gels présure demeure importante, ce qui le distingue d’un WPC dénaturé. / Buttermilk composition is very similar to that of skim milk, but its rennet coagulation ability is inferior, limiting its use in cheesemaking. The casein micelle aggregation step upon renneting is partly governed by hydrophobic interactions. Milk fat globule membrane (MFGM) components are known for their surfactant properties. These components may therefore interfere in rennet coagulation of milk. As part of the work done for this thesis, buttermilk constituents were fractionated using centrifugation. The composition of these fractions was analysed and their impact on rennet coagulation properties of casein micelles was determined. Special attention was accorded to the casein micelles aggregation step. In the first work presented, buttermilk serum phase was separated in three fractions differentiated by their protein and fat contents. The study of these fractions allowed concluding that particles, likely composed of fine fat globules or high density membrane fragments impede with rennet aggregation and coagulation of casein micelles. However, the presence of residual casein micelles in this serum phase limited the interpretation of some results. Consequently, for the second study presented, sodium citrate was used to dissociate these casein micelles. MFGM fragments were then recovered using ultracentrifugation (100,000 x g). In contrary to the components isolated in the first study presented, the impact of these MFGM fragments on rennet aggregation of casein micelles was negligible, despite a negative impact observed on rennet gel formation. More investigations will be needed to fully understand the mechanism underlying this interference to rennet coagulation. In the third study presented, the cheesemaking properties of buttermilk were compared to those of a denatured whey protein concentrate (WPC-D). Compared to this ingredient largely used in industrial cheesemaking, buttermilk allowed to obtain firmer rennet gels, more rapidly, and restrained the moisture retention in cheeses. The protein and fat recovery was also higher with buttermilk compared to WPC-D. The impact of the serum fraction of these ingredients was also evaluated, but it was negligible. This suggests that the impact of buttermilk on cheesemaking was mostly determined by its casein content. The effect of thermal denaturation in acidic condition (pH 4.6) of buttermilk, of whey protein concentrate or of a combination of both ingredients was also tested. The results showed a better protein recovery for all the ingredients and parameters tested. However, buttermilk used alone, heated or not, was the ingredient that allowed the best protein and fat recoveries while limiting moisture pickup. In conclusion, the centrifugation of buttermilk under different conditions allowed obtaining different fractions and evaluating their impact on rennet induced aggregation and coagulation properties of casein micelles. Some components of buttermilk serum phase (fine fat globules and high density MFGM fragments) impede the aggregation of renneted casein micelles. Other fragments isolated following sodium citrate dissociation of the casein micelles interfered with rennet induced coagulation by another mechanism which remains to be elucidated. However, the contribution of buttermilk casein micelles in rennet gel formation and properties remains important which distinguish it from a denatured WPC.

L'industrie du chocolat est très concurrentiel et en constante évolution. Afin d'être compétitif, les industriels ont besoin d'une maîtrise parfaite de leurs procédés afin de limiter l'ajout de beurre de cacao, une matière grasse très coûteuse. Depuis des décennies, le contrôle de ce procédé est basé sur des méthodes manuelles ou, plus récemment, sur des méthodes automatisées relatives. Ce mémoire présente une méthode de mesure capable de déterminer la taille des particules de sucre de façon absolue et sans étalonnage. Ceci permet d'augmenter le rendement des employés, d'assurer un produit constant et de diminuer le besoin d'ajouter du beurre de cacao. Contrairement aux méthodes traditionnelles, cette méthode basée sur l'utilisation d'un spectromètre couplé à un objectif équipé d'un sténopé (pinhole) permet de déterminer à un micromètre près la taille des particules de sucre sur un raffineur à cinq rouleaux et, par le fait même, d'asservir la vitesse de broyage afin d'obtenir la taille de particule désirée à coût minimal.

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Thèse en cotutelle : « Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence (France) » / Thèse en cotutelle : « Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence (France) » / La fabrication additive, ou impression 3D, regroupe un ensemble de procédés de mise en forme des matériaux par ajout de matière, en opposition avec les méthodes "traditionnelles" soustractives, comme par exemple l'usinage. De nombreux procédés de fabrication additive existent, et divers matériaux sont exploitables par impression 3D, comme des métaux, des polymères ou des céramiques. En revanche, très peu de solutions ont pour l'instant été proposées pour l'impression de verre, principalement à cause des hautes températures de travail nécessaires. L'objectif de cette thèse est donc de réaliser la fabrication additive de verres phosphates, avantageux pour leurs températures de travail plus faibles et recherchés pour leurs applications dans l'optique ou les biomatériaux. Cela passe par le développement de compositions de verres phosphates adaptées avec de basses températures de transition vitreuse. Dans un premier temps, des verres de composition (50 - x) P₂O₅ - 25 Na₂O - 25 K₂O - x M₂O₃ (%ₘₒₗ), avec M = Al ou Ga et x entre 0 et 10 %ₘₒₗ, ont été étudiés. La composition la plus optimale a ensuite été imprimée via un procédé de dépôt de fil fondu grâce à une imprimante commerciale pour polymères modifiée. Afin d'obtenir des objets imprimés en verre qui sont transparents, il a fallu optimiser les paramètres d'impression pour éliminer les potentiels défauts. Des caractérisations sur les pièces imprimées en verre ont permis d'estimer que la porosité résiduelle était inférieure à 0,02 %. Grâce à ce procédé de fabrication additive de verres phosphates, l'impression de composants optiques à géométries complexes et aux propriétés uniques est envisageable. Un deuxième axe d'étude concerne l'élaboration de verres phosphates hydratés transparents, dont la température de transition vitreuse est inférieure à 100 °C et pouvant être synthétisés à seulement 300 °C. Ces matériaux innovants ont été caractérisés par spectroscopies Raman, infrarouge et RMN afin d'en déterminer la structure. Des groupements -OH sont observés au sein du réseau phosphate, agissant comme des modificateurs du réseau vitreux et sont donc à l'origine des modifications des propriétés du verre. En ajoutant de l'oxyde de zinc à la composition, il est possible d'améliorer la résistance à la dissolution des verres phosphates hydratés tout en maintenant leur transparence et leur basse température de transition vitreuse. Ces nouveaux matériaux ouvrent la voie à des nouvelles voies de fonctionnalisation, dont certaines ont été étudiées avec la réalisation de fibres multimatériaux verre oxyde-polymère et l'inclusion de nanoparticules de trioxyde de tungstène. / Additive manufacturing, also known as 3D printing, refers to a set of manufacturing techniques by adding matter, as opposed to the more 'traditional' subtractive methods, such as machining. There are a lot of very different additive manufacturing processes, as well as a diversity of printable materials, including metals, ceramics and polymers. However, very few solutions have been developed so far for the printing of glass. The main obstacles are the very high processing temperatures required. The main objective of this thesis is to enable the additive manufacturing of phosphate glasses. These glasses are advantageous for their lower working temperatures and are also known for their applications in optics and biomaterials. To that purpose, convenient phosphate glass compositions with low glass transition temperatures were developed. The first system studied was (50 - x) P₂O₅ - 25 Na₂O - 25 K₂O - x M₂O₃ (%ₘₒₗ), with M = Al ou Ga and x between 0 and 10 %ₘₒₗ. The most ideal composition studied in the system was then successfully printed following a fused deposition modeling process, using a modified commercial polymer 3D printer. To obtain printed glass objects that are transparent, printing parameters were finely tuned to avoid potential defects. The residual porosity of printed glass objects is estimated to be lower than 0.02 %. Being able to print phosphate glasses with this process enables the fabrication of optical parts with complex geometries and unique properties. Transparent hydrated phosphate glasses were also studied. These materials exhibit a glass transition temperature below 100 °C and could be synthetized at temperatures as low as 300 °C. The structure of these new materials was then investigated, using Raman, infrared and NMR spectroscopies. -OH groups were found within the phosphate network, where they act as network modifiers, causing the modification of the glass' properties. By adding zinc oxide to the glass composition, it is possible to make the hydrated phosphate glasses more resistant to dissolution while keeping their transparency and their low glass transition temperature. These materials enable new functionalization possibilities, some of which were studied. For instance, glass-polymer composite fibers were made, and tungsten trioxide functional nanoparticles were integrated in a hydrated phosphate glass matrix.

La numérisation 3D est fréquemment utilisée dans le domaine manufacturier, en particulier pour la fabrication personnalisée de prothèses, d'orthèses ou d'équipement sportif. Pour construire un modèle numérique d'une partie du corps humain, les utilisateurs de scans doivent faire l'acquisition d'une grande quantité de points. Pour des utilisateurs non experts, comme les spécialistes en fabrication de prothèses, obtenir un scan de haute qualité est ardu puisque la prise en main d'un numériseur est souvent complexe. De plus, le client doit rester immobile durant le processus de numérisation, ce qui réduit le temps imparti pour recueillir les données. Avec une approche de représentation du nuage de points moderne et adaptée au temps réel, appelée « champ vectoriel », le modèle est reconstruit en même temps que l'acquisition des points. En utilisant cette approche avec des métriques permettant d'évaluer la qualité du scan, l'utilisateur est informé en temps réel du déroulement de sa numérisation. Les deux métriques implémentées dans ce travail sont : la variation de surface et la classification de la surface parles courbures principales. La rétroaction sur la qualité du scan est affichée par un code de couleurs sur la surface reconstruite. Les expériences démontrent que les métriques, individuellement et/ou combinées, permettent d'afficher les emplacements de distorsions sur des objets ayant différentes géométries. Pour une représentation par champ vectoriel, la variation de surface représente un facteur d'uniformité du nuage de points dans un petit espace 3D, alors que la classification de la surface quantifie localement le type de surface selon une estimation des deux courbures principales à partir de points voisins sur le modèle. L'utilisateur étant informé en temps réel de la qualité de son scan, il peut ajuster la prise en main de son numériseur et optimiser son temps de numérisation. Par exemple, l'utilisateur peut choisir de faire l'acquisition d'une plus grande quantité de points aux endroits sur le modèle étant de mauvaise qualité ou recommencer le processus de numérisation s'il observe que l'intégralité du scan en cours est de qualité médiocre. / n the manufacturing industry, particularly for the customized manufacture of prostheses,orthoses and sports equipment, 3D scanning is frequently used. To build a digital model ofhuman body parts, scan users need to acquire a large number of points. For non-expert users,such as specialists in prosthesis manufactures, obtaining a high quality scan is an arduous task, as the handling of a 3D scanner is often complex. Moreover, the customer has to remain still during the scanning process, which reduces the time available for data collection. With a modern, real-time approach to point cloud representation, called "vector field", themodel is reconstructed while the points are acquired. Using this approach with metrics to assess scan quality, the user is informed in real time of scan progress. The two metrics implemented in this work are the surface variation and the surface classification using principal curvatures. Feedback on scan quality is displayed by colour-coding the reconstructed surface. Experiments show that metrics, individually or both combined, can be usedto display distortions on objects with different shapes. For a vector field representation, the surface variation represents a uniformity factor of the point cloud in a small 3D space, while the surface classification establish the surface class according to an estimate of the two principal curvatures from neighbouring points on the model. As the user is informed in realtime of scan quality, they can adjust the scanner's handling andoptimize scan time. For example, the user can choose to acquire a greater number of points inareas of the model thatare of poor quality, or restart the scanning process if the entire scanis of mediocre quality.

Les machines de fabrication personnelle, comme les imprimantes 3D, permettent aux créateurs occasionnels de fabriquer leurs propres objets. Il est possible de créer des pièces rigides, mais aussi des pièces souples, flexibles ou malléables. Ces propriétés mécaniques ouvrent des perspectives inédites dans la recherche en Interaction Homme-Machine (IHM) puisqu’elles permettent de réaliser de nouvelles formes d’interaction. Le défi reste toutefois d'intégrer des capteurs et du retour visuel dans ces matières. Les sciences des matériaux ont introduit plusieurs techniques pour produire des éléments interactifs, mais leur application requiert une expertise spécialisée ou la disposition d’équipements très couteux. Ma thèse se concentre sur les professions créatives, comme les professionnels du design, les architectes, ou les chercheurs en IHM. Elle vise à accompagner leur processus de conception et de prototypage avec des matériaux souples et interactifs, produisant des objets élastiques, des modèles avec des formes reconfigurables, ou même des maquettes qui peuvent être découpées. De tels matériaux pourraient enrichir notre interaction avec le monde numérique de trois manières différentes : 1) les dispositifs prosthétiques et l’informatique ubiquiste 2) le design de produits personnels 3) la fabrication interactive. J’introduis d’abord une nouvelle méthode pour intégrer des capteurs tactiles, des capteurs de proximité et des écrans électroluminescents dans des matériaux de silicone étirables. Basée sur des techniques d’impression en sérigraphie, la méthode permet de fabriquer rapidement des interfaces étirables et peu coûteuses, qui peuvent être intégrées dans les vêtements et dans d’autres objets ordinaires. Deuxièmement, je présente une approche pour créer des modules de constructions interactives, qu’on appelle “Tangramis Interactifs”. Les Tangramis interactifs sont des matériaux souples, par exemple du papier, pliés et combinés ensemble pour créer des structures modulaires en 3D. Ils peuvent réagir au toucher, être actionnés, et intégrer des composants électroniques comme des LEDs. Nous utilisons une technique rapide d’impression par jet d’encre pour intégrer des capteurs et des circuits dans le papier. Nous avons également développé une interface graphique qui permet aux créateurs de concevoir la forme et le comportement interactif de leurs propres interfaces physiques avant de les imprimer sur papier. Troisièmement, j’introduis une méthode de fabrication de matériau capable à identifier sa forme (“shape-aware material”). Ce matériau peut détecter et communiquer sa géométrie en temps réel durant son découpage par un créateur. La méthode s’appuie sur une nouvelle technologie de capteurs de forme, imprimés par jet d’encre et intégrés dans du matériel de maquettage, comme le carton mousse. Notre logiciel aide les créateurs à générer du matériel de prototypage en 2D ou en 3D qui peut capter sa forme, en configurant la topologie des capteurs pour optimiser la précision du modèle. Il permet également d’établir le lien entre un modèle physique et sa représentation numérique dans un environnement CAO (Conception Assisté par l’Ordinateur), par exemple Blender et Unity. Notre approche soutient un processus de fabrication bi-directionnelle en intégrant des outils de modélisation à la fois physiques et numériques. / Personal fabrication machines, such as 3D printers, allow casual makers to create custom objects, which may also contain soft, flexible, or shape-changeable parts. Making use of these mechanical properties and developing novel forms of interaction opens up new possibilities for research in Human-Computer-Interaction (HCI). However, embedding sensing and output capabilities into material is still challenging. Although research in materials science has introduced a range of methods for producing interaction-aware materials, these methods require significant domain expertise and often rely on specialized and expensive equipment. My dissertation focuses on casual makers, designers, and HCI researchers, and investigates how to support their design and physical modeling tasks with interactive, non-rigid materials that are stretchable, shape configurable, or cuttable. I explore three directions on how such materials can enhance user interaction, with applications to wearables and ubiquitous computing, DIY product design, and interactive fabrication. First, I introduce a new fabrication method for embedding touch sensing, proximity sensing, and electroluminescent displays into stretchable silicone materials. Based on screen printing, the method allows for rapidly fabricating inexpensive and highly stretchable user interfaces than can be embedded in wearables and other everyday objects. Second, I present an approach for creating interactive paper-folded building blocks that we call Interactive Tangrami. Interactive Tangrami are made of flexible materials such as paper, folded and combined together to form modular 3D structures. They support touch sensing and actuation and can also integrate rigid electrical components, such as LEDs. We use a rapid ink-jet printing technique to apply sensors and circuits on paper. We also offer a software tool that helps makers to design the geometry and interactive behavior of their physical user interfaces and then print them on paper. Third, I introduce a method for fabricating shape-aware material, which is modeling material that captures and streams its own shape while being cut by an artist. The method is based on a novel inkjet-printable sensing technology that can be embedded into a variety of cuttable material such as foam-core. Our software toolkit helps makers produce 2D or 3D shape-aware material and customize its sensing topology for higher sensing accuracy. It also allows them to link the physical model with its digital copy in a 3D CAD environment, such as Blender and Unity. Overall, our approach supports a bi-directional fabrication workflow that combines both physical and digital modeling tools.