Un vidéomicroscope permettant un suivi en temps réel, crucial en biologie cellulaire, est souvent cher et encombrant. Mon projet de thèse vise à développer un vidéomicroscope miniaturisé. L'objectif est de permettre, à terme, une meilleure parallélisation des expériences, mais également de favoriser une intégration avec d'autres capteurs, en l'envisageant comme un élément d'un laboratoire sur puce. La voie de miniaturisation choisie est de supprimer les objectifs de grossissement pour observer les objets directement sur la surface sensible d'un capteur d'image selon un mode appelé « imagerie de contact ». Pour cela, les différents éléments du microsystème ont été choisis et conditionnés pour protéger l'électronique du capteur vis-à-vis des milieux de culture aqueux, et assurer des conditions physiologiques aux cellules d'intérêt. Puis, l'observation des cellules a été optimisée en référence aux images fournies par des microscopes classiques. Le suivi en temps réel d'événements cellulaires (mitose, motilité, apoptose,...) à l'aide de notre prototype a ensuite été démontré. Enfin, les différents composants du système optique ont été caractérisés dans le but de mieux comprendre le mécanisme de formation de l'image et de l'optimiser. La résolution de notre microsystème (11,2 µm) donne accès à la morphologie cellulaire : celle-ci est potentiellement améliorable en utilisant des pixels de plus petite taille. Une perspective intéressante pour la biologie cellulaire serait de pouvoir détecter des phénomènes luminescent ou fluorescent.

Les travaux effectués au cours de cette thèse concernent le développement d’un instrument à faible coût et porté sur la personne permettant le suivi quantitatif des paramètres physiologiques de la peau in vivo et de manière non invasive. L’instrument est fondé sur la technique de Spectroscopie de Réflectance Diffuse résolue spatialement (srDRS). Cette technique fournit une quantification absolue des propriétés optiques endogènes d’absorption et de diffusion du tissu sondé et possède un potentiel pour la caractérisation de ces propriétés en couches de la peau.Afin de maximiser ce potentiel, notre approche repose sur l’utilisation d’un capteur matriciel placé en contact avec le tissu et permettant l’imagerie de réflectance diffuse à haute résolution spatiale. Les travaux présentés ici comprennent la spécification et la validation d’une architecture innovante permettant la mise en œuvre de l’approche proposée, l’implémentation d’un système porté sur la personne et bas coût basé sur cette architecture et l’évaluation des performances de ce système au travers d’expérimentations à la fois sur fantômes de peau et in vivo. Les résultats obtenus valident le potentiel de l’instrument développé pour le suivi quantitatif et non-invasif des propriétés de la peau. L’approche proposée est prometteuse pour l’analyse de milieux en couches tels que la peau et ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération d’instruments portés sur la personne et bas coûts pour le suivi en continu des propriétés optiques des tissus. / This work presents the development of a low-cost, wearable instrument for quantitative monitoring of skin physiological parameters toward non-invasive diagnostics in vivo. The instrument is based on the spatially resolved Diffuse Reflectance Spectroscopy (srDRS) technique, which provides absolute quantification of absorption and scattering endogenous properties of the probed tissue volume with a potential to discriminate between properties of individual skin layers. In the developed instrument, this potential is maximized by the use of a multi-pixel image sensor to perform contact, high resolution imaging of the diffuse reflectance. This study comprises the specification and validation of a novel srDRS system architecture based on the proposed approach, the implementation of this architecture into a low-cost, wearable device and the evaluation of the device performance both on tissue-simulating phantoms and in vivo. Results validate the potential of the instrument for the non-invasive, quantitative monitoring of tissue properties. The described approach is promising for addressing the analysis of layered tissue suchas skin and paves the way for the development of low-cost, wearable devices for continuous, passive monitoring of tissue optical properties.

La mise en glissement d’une interface de contact est un phénomène dont la dynamique spatiotemporelle est encore mal comprise. Dans cette thèse, nous avons développé et mis en oeuvre un dispositif expérimental original permettant de visualiser in situ les phénomènes locaux en jeu lors de la mise en glissement d’interfaces rugueuses élastomères, avec une bonne résolution temporelle. Nous avons mis en évidence une forte réduction de l’aire de contact réelle au sein d’une interface de contact sous cisaillement, et ce bien avant le début du glissement macroscopique. Cette réduction influence la valeur de la force de frottement statique de l’interface. Nous avons montré que le paramètre qui quantifie l’amplitude de la réduction vérifie une loi d’échelle valable largement, allant des monocontacts millimétriques jusqu’aux jonctions micrométriques impliquées dans les interfaces rugueuses. Nous avons ensuite montré que la contrainte de cisaillement critique de mise en glissement d’une interface n’est pas une constante pour un couple de matériaux en contact. En effet, en changeant systématiquement l’épaisseur d’un revêtement élastique sur l’un des corps en contact, on peut varier cette contrainte d’un facteur trois. Cet effet est interprété semi-quantitativement via un modèle couplant dissipation à l’interface et dans le volume des matériaux. Nous avons enfin montré que la dynamique spatio-temporelle de mise en glissement est influencée par le couple appliqué à l’interface par la force de frottement, lorsque celle-ci n’est pas exercée dans le plan de l’interface. En particulier, via une mesure du champ de déplacement par corrélation d’images, nous avons réalisé la première comparaison quantitative avec un modèle récent décrivant cet effet de couple. / The onset of sliding of a contact interface is a phenomenon the space-time dynamics of which are still poorly understood. In this thesis, we have developed and implemented an original experimental device allowing us to visualize in situ the local phenomena involved during the onset of sliding of rough elastomer interfaces, with a good temporal resolution. We have shown a strong reduction of the real contact area within a sheared contact interface, well before the beginning of macroscopic sliding. This reduction affects the value of the static friction force of the interface. We have shown that the parameter that quantifies the amplitude of the reduction obeys a well-defined scaling law ranging from millimetric mono-contacts to the micrometric junctions involved in rough interfaces. We have then shown that the shear strength of an interface is not a constant for a couple of materials in contact. Indeed, by systematically changing the thickness of an elastic coating on one of the bodies in contact, we could vary the value of the shear strength by a factor three. This effect is interpreted semi-quantitatively via a model incorporating dissipation both at the interface and in the bulk of the materials. We have finally shown that the space-time dynamics of the onset of sliding is influenced by the torque applied to the interface by the friction force, when the latter is not exerted in the plane of the interface. In particular, via a digital image correlation-based measurement, we performed the first quantitative comparison with a recent model describing this torque effect.

Deux méthodes expérimentales ont été développées pour mesurer, pour une interface multi-contacts élastomère / verre, les champs mécaniques en volume (micro-capteur de force MEMS noyé sous le film élastique) et à l'interface (imagerie de contact par transmission), résolus spatialement à une échelle intermédiaire entre celle du contact apparent et celle des micro-contacts.<br />La mesure MEMS a permis d'obtenir les champs de contrainte sous charge normale et en glissement stationnaire, en très bon accord avec des modèles mécaniques simples. Pour des substrats de rugosité périodique le lien entre spectre des contraintes et topographie de surface a pu être interprété en termes de filtrage spectral, pertinent pour comprendre la perception tactile.<br />La mesure optique a permis, en analysant la répartition spatiale de l'intensité, d'obtenir le champ de pression de surface. Sa dépendance avec les propriétés de la couche rugueuse a été confrontée au modèle de Greenwood-Tripp. Par suivi des aspérités, le champ de déplacement a été mesuré avec une résolution sub-micronique et a mis en évidence la coexistence de zones glissantes et adhérentes prédite par Cattaneo et Mindlin.

Les enjeux de consommation d'énergie et de sécurité ont fait du frottement entre les pneumatiques et la chaussée une propriété importante lors de la conception de nouveaux pneumatiques. Pour mesurer ces efforts de frottement deux cinématiques sont couramment utilisées : la mise en glissement et le roulement/glissement. Les lois de frottement issues des expériences de mise en glissement sont assez bien interprétées. En revanche, le lien qui existe entre ces lois de frottement et le comportement en roulement/glissement est encore mal compris. En particulier, les modèles de roulement/glissement n'incorporent pas la transition entre frottement statique et frottement dynamique, bien que cette phénoménologie soit bien établie expérimentalement. Dans cette thèse, nous proposons différents modèles de frottement en roulement/glissement qui étendent ceux de la littérature en intégrant explicitement la transition de frottement statique/dynamique. Pour tester ces modéles dans le cas du contact pneu/chaussée, nous avons réalisé des expériences selon les deux cinématiques, sur un contact simplifié élastomère/chaussée. A partir des expériences de mise en glissement, les paramètres de la loi de frottement sont identifiés, en fonction de la force normale appliquée, de la vitesse de glissement et de la nature de la chaussée. Ces résultats sont implémentés dans nos modèles, pour produire des prédictions en roulement/glissement, qui sont finalement comparées avec les mesures obtenues en roulement/glissement. De plus, certaines hypothèses des modèles ont été testées par des expériences de visualisation in situ du contact. En particulier nous confirmons, sur une interface élastomère/verre, la présence simultanée d'une zone collée et d'une zone en glissement en conditions de roulement/glissement. / For safety and energy consumption issues, tyre friction has become an important property when designing tyres. There are two main kinematic conditions which are commonly used to measure friction forces : the onset of sliding and the rolling/sliding. The friction laws which are extracted from the onset of sliding experiments are rather well interpreted. In contrast, the link between those frictions laws and the rolling/sliding behaviour remains incompletely understood. In particular, the rolling/sliding models do not take into account the transition between static friction and dynamic friction, although it is a well-established phenomenology. In this manuscript, we propose diérent models of friction in rolling/sliding, which extend those of the literature by explicitly integrating a static/dynamic friction transition. To test these models in the case of a tyre/road contact, we performed experiment in the two kinematic conditions, on a simpliéd elastomer/road contact. From the onset of sliding experiments, we identify the parameters of the friction law as functions of the applied normal force, the sliding speed and the type of road. These results are used as inputs in our models to predict the rolling/sliding behaviour, and are eventually compared with the corresponding experiments. In addition, we have tested several assumptions made in the models by performing in situ contact imaging experiments. In particular we con_rm, on an elastomer/glass interface, the simultaneous presence of a sticking and a slipping zone in rolling/sliding conditions.