In this dissertation, we propose and study methods for information transfer within a swarm of mobile robots that coordinately move, or flock, in a common direction. We define information transfer as the process whereby robots share directional information in order to coordinate their heading direction. We identify two paradigms of information transfer: explicit information transfer and implicit information transfer. <p><p>In explicit information transfer, directional information is transferred via communication. Explicit information transfer requires mobile robots equipped with a a communication device. We propose novel communication strategies for explicit information transfer, and we perform flocking experiments in different situations: with one or two desired directions of motion that can be static or change over time. We perform experiments in simulation and with real robots. Furthermore, we show that the same explicit information transfer strategies can also be applied to another collective behavior: collective transport with obstacle avoidance. <p><p>In implicit information transfer, directional information is transferred without communication. We show that a simple motion control method is sufficient to guarantee cohesive and aligned motion without resorting to communication or elaborate<p>sensing. We analyze the motion control method for its capability to achieve flocking with and without a desired direction of motion, both in simulation and using real robots. Furthermore, to better understand its underlying mechanism, we study this<p>method using tools of statistical physics, showing that the process can be explained in terms of non-linear elasticity and energy-cascading dynamics. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Nowadays, the emerging role of amyloid-β peptide (Aβ) oligomers in Alzheimer’s disease (AD) is widely accepted, putting aside the old idea that fibrils are the primary entities responsible for the onset of the disease. Recent studies indeed show that the level of soluble Aβ oligomeric forms better correlates with the progression of the disease than the level of fibrillar forms. <p>Using conditions which yield characteristic Aβ42 oligomers or fibrils, we studied the secondary structure of these species by ATR (attenuated total reflection)-FTIR (Fourier transform infrared) spectroscopy. Whereas fibrillar Aβ was organized in a parallel β-sheet conformation, oligomeric Aβ displayed distinct spectral features attributed to an antiparallel β-sheet structure. Antiparallel β-sheet structure may thus be a structural signature of oligomeric Aβ. Moreover, we noted striking spectral similarities between Aβ oligomers and a bacterial pore-forming protein, OmpF. <p>Apolipoprotein E (apoE) isoforms are strongly linked to Alzheimer’s disease, with the E4 isoform being the most recognized genetic risk factor so far. Nevertheless, the involvement of apoE4 in AD remains confusing. We evaluated the influence of apoE isoforms on Aβ aggregation in vitro. Comparing Aβ controls with Aβ incubated either with the apoE3 or apoE4 isoform, we observed a sharp reduction of the Aβ fibrillar content, whereas the oligomeric content was increased upon incubation with the pathological isoform apoE4. These data suggest that apoE4 binds and blocks Aβ in its oligomeric conformation, inhibiting further formation of less toxic fibrillar forms of Aβ. The enhanced interaction of apoE4 with Aβ oligomers could arise from its reported unique propensity to form a molten globule state, unlike the other isoforms of apoE. While previous studies mostly correlated E4 with fibrils, our data underline a correlation between apoE4 and Aβ oligomers. Our work reconciles apoE4 with the new amyloid cascade hypothesis and brings support to studies whose therapeutic strategy aims at designing inhibitors of the apoE/Aβ interaction./<p>Le rôle central des espèces oligomèriques du peptide amyloïde bêta (Aβ) dans la maladie d’Alzheimer est de plus en plus reconnu actuellement, mettant de côté l’ancien concept selon lequel les espèces fibrillaires sont les entités responsables du développement de la maladie. Des études récentes montrent en effet que le taux d’oligomères semble bien mieux corrélé à la progression de la maladie que le taux de fibrilles.<p>A l’aide de protocoles bien établis permettant de former des oligomères ou des fibrilles d’Aβ42 in vitro, nous avons étudié la structure secondaire de ces espèces par spectroscopie infrarouge en réflexion totale atténuée. Alors que les fibrilles présentaient une conformation en feuillets β parallèles, les oligomères quant à eux, ont révélé des caractéristiques spectrales distinctes, attribuées à du feuillet β antiparallèle. Cette structure en feuillets β antiparallèles pourrait donc représenter une signature structurale typique des espèces oligomèriques d’Aβ. De plus, nous avons observé de frappantes similarités spectrales entre les oligomères d’Aβ et une protéine bactérienne formant des pores, l’OmpF.<p>Les isoformes de l’apolipoprotéine E (apoE) sont fortement impliquées dans la maladie d’Alzheimer et plus particulièrement, l’isoforme E4 qui est actuellement reconnue comme étant le plus important facteur de risque d’origine génétique. Néanmoins, le rôle précis joué par l’apoE4 dans la maladie est encore mal connu. Nous avons étudié l’influence des isoformes de l’apoE sur l’agrégation du peptide amyloïde in vitro. En comparant des échantillons contrôle d’Aβ avec des échantillons incubés en présence d’apoE3 ou d’apoE4, nous avons observé une nette réduction de la quantité de fibrilles ainsi qu’une augmentation concomitante de la proportion d’oligomères lors de l’incubation avec l’isoforme pathologique E4. Ces résultats suggèrent que l’apoE4 interagit avec Aβ et le bloque dans sa conformation oligomèrique, inhibant ainsi le processus d’agrégation et la formation de fibrilles, espèces moins toxiques. Cette plus forte interaction entre l’apoE4 et les oligomères d’Aβ pourrait s’expliquer par la propriété unique de l’apoE4 à former un état intermédiaire ‘molten globule’, ce qui n’est pas le cas des autres isoformes. Tandis que d’anciennes études ont corrélé l’apoE4 principalement avec les fibrilles, nos résultats mettent en évidence un lien entre l’apoE4 et les oligomères d’Aβ, respectivement l’isoforme pathologique et les espèces les plus toxiques du peptide. Ce travail réconcilie donc l’apoE4 avec la nouvelle hypothèse de la « cascade amyloïde » et soutient les études thérapeutiques visant à mettre au point des inhibiteurs spécifiques de l’interaction apoE/Aβ.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In swarm robotics, the control of a group of robots is often fully distributed and does not rely on any leader. In this thesis, we are interested in understanding how to design collective decision making processes in such groups. Our approach consists in taking inspiration from nature, and especially from self organization in social insects, in order to produce effective collective behaviors in robot swarms. We have devised four robotics experiments that allow us to study multiple facets of collective decision making. The problems on which we focus include cooperative transport of objects, robot localization, resource selection, and resource discrimination. <p><p>We study how information is transferred inside the groups, how collective decisions arise, and through which particular interactions. Important properties of the groups such as scalability, robustness, and adaptivity are also investigated. We show that collective decisions in robot swarms can effectively arise thanks to simple mechanisms of imitation and amplification. We experimentally demonstrate their implementation with direct or indirect information transfer, and with robots that can distinguish the available options partially or not at all. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Tous les êtres vivants présentent un arsenal de défenses contre les pathogènes, et la réponse inflammatoire constitue le processus initial de cette défense, qui s’achève par la réparation des tissus lésés. Paradoxalement, un processus inflammatoire prolongé est également associé à de nombreuses pathologies comme l’athérosclérose, l’asthme, les maladies auto-immunes mais aussi certains cancers. Le recrutement excessif de leucocytes au site de l’inflammation est un processus commun à ces pathologies. Dès lors, la compréhension et la maîtrise du phénomène complexe et finement orchestré de la migration sélective des populations leucocytaires, appelée chimiotactisme, sont des enjeux majeurs de la recherche médicale contemporaine. <p>Les récepteurs aux peptides formylés bactériens et mitochondriaux (FPRs) forment la première famille de récepteurs chimiotactiques identifiée. Elle comprend trois membres, FPR1, 2 et 3, présentant un haut niveau de similitude et partageant certains de leurs multiples ligands. Le troisième membre de ce groupe, FPR3, reste actuellement le moins bien connu. Récemment, un agoniste de FPR3, affin et spécifique, a été identifié dans le laboratoire. Il s’agit du peptide F2L, qui correspond aux 21 premiers acides aminés de la protéine intracellulaire HEBP1.<p><p>Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes attelé à la caractérisation approfondie du récepteur FPR3 et son ligand peptidique F2L. <p>Dans un premier temps, et à l’aide d’anticorps validés dans le cadre de ce travail, nous avons montré que le peptide F2L induit le chimiotactisme d’un ensemble de populations leucocytaires qui expriment FPR3, dont les sous-populations de macrophages des poumons, du colon et de la peau, les éosinophiles et les cellules dendritiques plasmacytoïdes. Cette distribution suggère, pour FPR3, une fonction dans la réponse inflammatoire. <p>Nous avons pu montrer ensuite que F2L peut être généré par la protéolyse de son précurseur, HEBP1, sous l’action de la cathepsine D des macrophages. La cathepsine D est une aspartique protéase lysosomiale impliquée dans l’homéostasie cellulaire, les processus apoptotiques et inflammatoires physiologiques et pathologiques, et dans le développement tumoral. Il s’agit désormais d’identifier dans quel compartiment et sous quelles conditions F2L est produit et sécrété. <p>Enfin, parallèlement à ces travaux, nous avons démontré que la cathepsine G, une sérine protéase contenue dans les granules azurophiles des neutrophiles, active également le récepteur FPR3. Des résultats préliminaires suggèrent un mode d’activation alternatif du récepteur, impliquant la protéolyse d’un troisième partenaire et la génération d’un agoniste actuellement non identifié. <p><p>Le couple FPR3-F2L semble dès lors impliqué dans l’induction ou la résolution de la réponse inflammatoire en recrutant les éosinophiles, monocytes, macrophages et cellules dendritiques au site de la lésion. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

We investigate the use of self-assembly in a robotic system as a means of responding<p>to different environmental contingencies. Self-assembly is the mechanism through which<p>agents in a multi-robot system autonomously form connections with one another to create<p>larger composite robotic entities. Initially, we consider a simple response mechanism<p>that uses stochastic self-assembly without any explicit control over the resulting morphology<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’objectif de la thèse est le développement et la validation d’un synthétiseur des voix pathologiques. Peu d’études ont été consacrées à la synthèse des voix avec des dyspériodicités vocales malgré les nombreux arguments en faveur du développement et de l’amélioration des simulateurs des voix dysphoniques. Dans le cadre de ce travail, nous avons mis en œuvre un synthétiseur permettant de contrôler l’excitation glottique d’une manière fine et par conséquent de simuler efficacement les différentes catégories des dysphonies. <p>Les troubles simulés sont la gigue vocale, le tremblement vocal, la biphonation, la diplophonie et les vibrations aléatoires. Le shimmy vocal résulte de la distorsion de modulation dans le conduit vocal qui transforme la gigue en shimmy vocal. Le souffle est synthétisé par la modulation d’un bruit Brownien.<p>Des expériences préliminaires ont montré la capacité du synthétiseur à produire différentes catégories de voyelles. Pour la validation, nous avons utilisé des modèles de troubles simulés. Les résultats des expériences d’évaluations perceptives, portant sur des corpus de stimuli synthétiques ou humains, modales ou dysphoniques, sont encourageants et montrent la capacité du synthétiseur à produire des voix aussi bien modales que troublées avec des timbres indiscernables des humains. Enfin, les résultats d’une expérience d’exploitation concernant la classification des stimuli synthétiques selon les échelles ordinales GRB suggèrent que troubles simulés et évaluations perceptives concordent. Aussi, les scores perceptifs prédits à partir des paramètres de contrôle du synthétiseur et les scores attribués par des experts sont fortement corrélés. <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this thesis, we investigate the problem of path formation and prey retrieval in a swarm of robots. We present two swarm intelligence control mechanisms used for distributed robot path formation. In the first, the robots form linear chains. We study three variants of robot chains, which vary in the degree of motion allowed<p>to the chain structure. The second mechanism is called vectorfield. In this case,<p>the robots form a pattern that globally indicates the direction towards a goal or<p>home location. Both algorithms were designed following the swarm robotics control<p>principles: simplicity of control, locality of sensing and communication, homogeneity<p>and distributedness.<p><p>We test each controller on a task that consists in forming a path between two<p>objects—the prey and the nest—and to retrieve the prey to the nest. The difficulty<p>of the task is given by four constraints. First, the prey requires concurrent, physical<p>handling by multiple robots to be moved. Second, each robot’s perceptual range<p>is small when compared to the distance between the nest and the prey; moreover,<p>perception is unreliable. Third, no robot has any explicit knowledge about the<p>environment beyond its perceptual range. Fourth, communication among robots is<p>unreliable and limited to a small set of simple signals that are locally broadcast.<p><p>In simulation experiments we test our controllers under a wide range of conditions,<p>changing the distance between nest and prey, varying the number of robots<p>used, and introducing different obstacle configurations in the environment. Furthermore,<p>we tested the controllers for robustness by adding noise to the different sensors,<p>and for fault tolerance by completely removing a sensor or actuator. We validate the<p>chain controller in experiments with up to twelve physical robots. We believe that<p>these experiments are among the most sophisticated examples of self-organisation<p>in robotics to date. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le silicium (Si) sous forme dissoute (DSi) est indispensable à la croissance des diatomées, (microalgues) qui sont un élément clé des réseaux trophiques aquatiques terrestres et océaniques et qui jouent un rôle majeur dans le cycle global du carbone.<p>La construction d’un modèle global du cycle de Si le long du continuum aquatique continent-océan a permis de mettre en évidence l’importance de la zone de transition fleuve-mer pour le transfert du silicium continental vers les océans. Ce transfert est influencé par les diatomées planctoniques qui fixent le DSi et, en sédimentant, retiennent une partie du silicium continental dans les sédiments des estuaires.<p>Les modifications des flux de Si continentaux par les diatomées planctoniques dans les estuaires ont été clarifiées par :<p>1) des expériences sur l’écophysiologie d’une diatomée d’eau douce euryhaline (Cyclotella meneghiniana) particulièrement peu affectée par l’augmentation de salinité subi par le plancton lors de son transport des fleuves à la mer,<p>2) l’étude de la dissolution de la silice biogénique (bSiO2) qui constitue la coque externe des diatomées, et notamment l’effet de la salinité et des bactéries sur ce processus de recyclage du DSi,<p>3) la reconstitution du mélange des eaux et des diatomées dans un estuaire par l’expérimentation (3 espèces de diatomées dans un gradient salin artificiel) et par la construction et l’utilisation d’un modèle de Si dans la zone de mélange estuarienne.<p>Les résultats soulignent notamment l’importance des variations de salinité, de la turbidité de l’eau, de la nature des diatomées de rivière (sténohalines versus euryhalines) et de la viabilité des cellules sur les transformations et la rétention du silicium dans la zone de transition fleuve-mer. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Computational Grids are large infrastructures composed of several components such as clusters, or massively parallel machines, generally spread across a country or the world, linked together through some network such as Internet, and allowing a transparent access to any resource. Grids have become unavoidable for a large part of the scientific community requiring computational power such as high-energy physics, bioinformatics or earth observation. Large projects are emerging, often at an international level, but even if Grids are on the way of being efficient and user-friendly systems, computer scientists and engineers still have a huge amount of work to do in order to improve their efficiency. Amongst a large number of problems to solve or to improve upon, the problem of scheduling the work and balancing the load is of first importance.<p><p><p>This work concentrates on the way the work is dispatched on such systems, and mainly on how the first level of scheduling – generally name brokering, or meta-sheduling – is performed. We deeply analyze the behavior of popular strategies, compare their efficiency, and propose a new very efficient brokering policy providing notable performances, attested by the large number of simulations we performed and provided in the document.<p><p><p>The work is mainly split in two parts. After introducing the mathematical framework on which the following of the manuscript is based, we study systems where the grid brokering is done without any feed-back information, i.e. without knowing the current state of the clusters when the resource broker – the grid component receiving jobs from clients and performing the brokering – makes its decision. We show here how a computational grid behaves if the brokering is done is such a way that each cluster receives a quantity of work proportional to its computational capacity.<p><p><p>The second part of this work is rather independent from the first one, and consists in the presentation of a brokering strategy, based on Whittle's indices, trying to minimize as much as possible the average sojourn time of jobs. We show how efficient the proposed strategy is for computational grids, compared to the ones popular in production systems. We also show its robustness to several parameter changes, and provide several very efficient algorithms allowing to make the required computations for this index policy. We finally extend our model in several directions.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation Informatique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The understanding of the physics of the Coherent Structures and their interaction with the remaining fluid motions is of paramount interest in Turbulence Research. <p>Indeed, recently had been suggested that separating and understanding the the different physical behavior of Coherent Structures and "uncoherent" background might very well be the key to understand and predict Turbulence. Available understanding of Coherent Structures shows that their size is considerably larger than the turbulent macro-scale, making permissible the application of Large Eddy Simulation to their simulation and study, with the advantage to be able to study their behavior at higher Re and more complex geometry than a Direct Numerical Simulation would normally allow. Original purpose of the present work was therefore the validation of the use of Large Eddy Simulation for the study of Coherent Structures in Shear-Layer and the its application to different flow cases to study the effect of the flow topology on the Coherent Structures nature.<p>However, during the investigation of the presence of Coherent Structures in numerically generated LES flow fields, the aging in house Large Eddy Simulation (LES) code of the Environmental & Applied Fluid Dynamics Department has shown a series of limitations and shortcomings that led to the decision of relegating it to the status of Legacy Code (from now on indicated as VKI LES legacy code and of discontinuing its development. A new natively parallel LES solver has then been developed in the VKI Environmental & Applied Fluid Dynamics Department, where all the shortcomings of the legacy code have been addressed and modern software technologies have been adopted both for the solver and the surrounding infrastructure, delivering a complete framework based exclusively on Free and Open Source Software (FOSS ) to maximize portability and avoid any dependency from commercial products. The new parallel LES solver retains some basic characteristics of the old legacy code to provide continuity with the past (Finite Differences, Staggered Grid arrangement, Multi Domain technique, grid conformity across domains), but improve in almost all the remaining aspects: the flow can now have all the three directions of inhomogeneity, against the only two of the past, the pressure equation can be solved using a three point stencil for improved accuracy, and the viscous terms and convective terms can be computed using the Computer Algebra System Maxima, to derive discretized formulas in an automatic way.<p>For the convective terms, High Resolution Central Schemes have been adapted to the three-dimensional Staggered Grid Arrangement from a collocated bi-dimensional one, and a system of Master-Slave simulations has been developed to run in parallel a Slave simulation (on 1 Processing Element) for generating the inlet data for the Master simulation (n - 1 Processing Elements). The code can perform Automatic Run-Time Load Balancing, Domain Auto-Partitioning, has embedded documentation (doxygen), has a CVS repository (version managing) for ease of use of new and old developers.<p>As part of the new Frame Work, a set of Visual Programs have been provided for IBM Open Data eXplorer (OpenDX), a powerful FOSS Flow visualization and analysis tool, aimed as a replacement for the commercial TecplotTM, and a bug tracking mechanism via Bugzilla and cooperative forum resources (phpBB) for developers and users alike. The new M.i.O.m.a. (MiOma) Solver is ready to be used again for Coherent Structures analysis in the near future. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished