Nos travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de l'Interaction Homme-Machine (IHM) et contribuent à la conception et à la réalisation d'un système de réalité augmentée (RA) dans le cadre précis de la maintenance. Dans cet axe de recherche de l'IHM, les avancées sont importants et se manifestent par de nombreux systèmes présents dans des domaines aussi diverses que la médecine, la maintenance, la robotique... Dans ce contexte, nous avons proposé une démarche de conception ergonomique pour les systèmes de RA. Dans cet axe, nous avons présenté les propriétés ergonomiques. Afin de caractériser plus finement la dualité de l'interaction (Utilisateur- Monde Réel et Utilisateur-Monde Virtuel), nous avons défini la notation UML. Poursuivant le cycle de vie d'un système interactif issu du génie logiciel, nous avons abordé l'étape de la conception logicielle du système de RA. Nous avons défini une solution générique de réalisation logicielle selon le modèle d'architecture logicielle PAC-Amodeus. Ce modèle adapté souligne la dualité de l'interaction avec deux branches indépendantes dédiées à l'interaction avec le monde réel et le monde informatique. En collaboration avec le technicien, nous avons appliqué et testé nos résultats méthodologiques sur une application en maintenance. Cette application, ARIMA, permet de guider les techniciens en leur procurant des informations sous forme d'augmentations multimédia afin d'accroître leur efficacité dans des activités de maintenance.

L'un des principaux reproches que l'on fait à l'informatique traditionnelle est que le monde numérique de l'ordinateur est trop déconnecté du monde réel dans lequel les utilisateurs évoluent. La Réalité Mixte (RM) s'intéresse aux systèmes interactifs dans lesquels des objets réels et des données informatiques sont mêlées de manière cohérente.<br />Dans notre état de l'art nous analysons de nombreuses applications et technologies qui ont été conçues depuis une dizaine d'années dans ce domaine de façon généralement indépendantes et autonomes. Il semble désormais possible de proposer des modèles unificateurs et des méthodologies de conception associées.<br />Les modèles traditionnels de l'Interaction Homme-Machine (IHM) et du Travail Collaboratif Assisté par Ordinateur (TCAO), comme nous le montrons, ne sont pas adaptés car ils sont conçus pour la modélisation du logiciel et ne prennent pas (ou peu) en compte les artefacts réels.<br />Nous proposons donc le modèle IRVO (Interacting with Real and Virtual Objects) qui cherche à formaliser l'interaction entre les utilisateurs et les objets réels et virtuels. Pour cela IRVO identifie les entités intervenant dans le système (les utilisateurs, les outils, les objets de la tâche et l'application informatique) et leurs relations. Son pouvoir d'expression nous permet de modéliser les applications de la littérature dans le but de les comprendre, les comparer et les classer. <br />Nous montrons également que IRVO est un support à la conception d'applications nouvelles : il peut être utilisé soit comme point de départ, soit en fin d'analyse pour aider le concepteur à vérifier un certain nombre de critères (complétude, cohérence, continuité, etc.). Nous étudions la liaison entre IRVO et les modèles classiques de l'IHM et du TCAO et plus spécifiquement avec les modèles AMF-C et Arch. Dans une démarche MBA (Model-Based Approach), IRVO prend naturellement la place aux côtés des modèles de tâches et de dialogues.

Décrit un modèle architectural pour la conception et l'implémentation d'applications graphiques interactives où la gestion du graphique et des interactions sont décrits à l'aide de couches conceptuelles. Cette approche favorise une plus grande modularité à la fois pour les aspects graphiques et pour les aspects interactifs. Elle met aussi en évidence l'existence de graphiques temporaires qui existent dans beaucoup d'applications graphiques mais ne sont jamais décrits explicitements dans les modèles d'applications interactives.

Les outils de forage de type PDC peuvent subir d'intenses variations de leur vitesse de rotation, qui perturbent le déroulement des opérations de forage. Ce phénomène auto-entretenu, appelé stick-slip, se produit dans une variété de contextes de forage actuels et on admet généralement que l'instabilité est due à la décroissance du couple à l'outil suivant la vitesse de rotation. De nombreux dispositifs ont été introduits pour limiter son apparition, mais ni la cause physique de cette décroissance, ni le rôle joué par l'outil n'ont été clairement identifiés jusqu'à présent. Cette thèse vise à étudier, expérimentalement et théoriquement, la réponse mécanique des outils PDC lorsqu'ils sont soumis à des variations de leur vitesse de rotation. Une campagne d'essais de forabilité des roches a montré que les efforts qui s'exercent autant sur les outils PDC, que sur les taillants qui les composent, dépendent significativement de la vitesse de rotation. On a attribué ce phénomène au cisaillement dynamique d'une couche de roche broyée, compactée à l'interface entre le taillant et la saignée. Un modèle semi-empirique d'interaction dynamique outil-roche a été ajusté sur ces expériences pour prédire la réponse dynamique d'outils réels, puis validé à partir des essais sur outils de forage à l'échelle 1. Il a été couplé à un algorithme décrivant la dynamique en torsion des garnitures de forage pour calculer le risque de stick-slip associé. Le modèle développé explique non seulement, pourquoi le couple à l'outil diminue avec la vitesse de rotation mais aussi montre qu'il est possible de réduire le risque de stick-slip en sélectionnant la conception d'outil PDC appropriée.

En bloquant les deux voies majeures de métabolisation de l’acide arachidonique, les inhibiteurs mixtes 5-LOX/COX-2 sont de puissants agents anti-inflammatoires non stéroïdiens minimisant les effets secondaires gastro-intestinaux et allergiques (asthme). Par ailleurs, ils offrent de nouvelles perspectives dans le traitement préventif de certains cancers. Contrairement à la COX-2, déjà largement étudiée, le niveau de connaissances concernant la 5-LOX humaine est beaucoup plus restreint. Notre objectif a donc été de caractériser sa structure ainsi que son mode d’interaction avec des inhibiteurs de type non redox, dans le but d’aider à la conception rationnelle d’inhibiteurs mixtes 5-LOX/COX-2. Dans un premier temps, la comparaison d’inhibiteurs 5-LOX non redox de la littérature a permis de mettre en évidence un modèle de pharmacophore à 5 points. Par ailleurs, la structure 3D de la 5-LOX humaine n’étant pas encore déterminée, nous l’avons modélisée par homologie avec la 15-LOX de lapin cristallisée et nous avons étudié, par docking, le mode d’interaction d’inhibiteurs 5-LOX non redox au sein du site actif. La combinaison des approches centrées, respectivement, sur les ligands et sur la protéine, nous a permis d’affiner l’hypothèse de pharmacophore et de proposer un modèle général d’interaction au sein du site actif 5-LOX./Dual 5-LOX/COX-2 inhibitors, acting on both major arachidonic acid metabolic pathways, are potent non-steroidal anti-inflammatory agents, with a reduced gastro-intestinal toxicity and fewer allergic adverse reactions. Moreover, they are promising in the treatment of several cancers. Whereas COX-2 has already been extensively studied, little structural or mechanistic information is available regarding human 5-LOX. Therefore, we focussed on this enzyme and characterized its 3D structure as well as its interaction with non redox inhibitors in order to help the design of dual 5-LOX/COX-2 inhibitors. Firstly, comparison of non redox 5-LOX inhibitors from the literature led to the generation of a five-point pharmacophore model. The 3D structure of human 5-LOX was then modelled based on the crystal structure of rabbit 15-LOX and, the binding modes of representative ligands were investigated through docking studies. Combination of both ligand-based and target-based approaches allowed the refinement of the pharmacophore hypothesis and led to the proposal of an interaction model for non redox inhibitors inside the 5-LOX active site.

L'objectif de ce travail est de comprendre la structure et les interactions des liquides ioniques au contact de surfaces métalliques à l'échelle moléculaire en ayant recours aux méthodes de dynamique moléculaire. Il s'agit également d'étudier l'impact de ces caractéristiques microscopiques sur les propriétés tribologiques du système. Les liquides ioniques choisis en tant qu'huiles lubrifiantes potentielles présentent des propriétés biodégradables et des caractéristiques tribologiques appropriées. Ils reposent sur des cations alkylammonium combinés avec des anions alkylsulfonate et bistriflamide. Notre étude est structurée en quatre parties. Elle commence par l'analyse des liquides ioniques purs puis, des liquides ioniques confinés entre deux surfaces de fer à l'équilibre et sous cisaillement, et enfin, en présence d'eau. Les propriétés structurales et dynamiques des liquides ioniques sont étudiées à travers la fonction de distribution radiale et les coefficients d'auto-diffusion. L'organisation des charges ainsi que la formation de micro-domaines en solution sont étudiées conjointement au comportement diffusif des espèces ioniques. Un champ de forces atomique, basé sur des méthodes quantiques, a été développé pour modéliser les interactions entre les liquides ioniques et la surface métallique. Des calculs DFT ont été réalisés sur des fragments de liquides ioniques en interaction avec un cluster de fer en fonction de la distance et de leur orientation. Une fonction modélisant des interactions site-site a été ajustée aux valeurs d'énergies fragment-cluster calculées par DFT afin d'obtenir les paramètres du champ de forces. Finalement, la polarisation du métal par les ions a été prise en compte en utilisant un modèle de dipôles induits afin de reproduire l'énergie d'interaction entre les charges et la surface conductrice. Avec ce modèle d'interaction, les simulations de dynamique moléculaire ont permis d'étudier la structure de l'interface entre une surface de fer plane et différents liquides ioniques. Cette analyse s'est concentrée sur l'étude du positionnement des différentes espèces au niveau de la surface, sur l'orientation des chaines alkyles et sur les profils de densité de charge. Des simulations de dynamique moléculaire hors-équilibre de liquides ioniques en interaction avec des surfaces de fer ont été réalisées en utilisant le champ de forces développé précédemment. Un protocole de simulation, basé sur une définition locale de la pression, a été développé pour prédire de manière quantitative le coefficient de friction en fonction de la valeur de la charge et du taux de cisaillement. La dépendance de la friction avec la charge, la vitesse de cisaillement, la topologie de la surface et la taille de la chaine alkyle du liquide ionique a été étudiée. La variation des forces de friction s'explique par l'arrangement spécifique des ions et l'orientation des groupements du liquide ionique à proximité de la surface. Finalement, l'effet de la présence d'eau en petite quantité dans une solution de liquide ionique a aussi été étudié à l'équilibre et hors-équilibre. Un potentiel a été construit pour décrire les interactions entre l'eau et une surface de fer en utilisant la même approche que celle décrite précédemment. Des résultats préliminaires concernant la structure de l'interface liquide-métal et la valeur du coefficient de friction ont été présentés et comparés avec ceux obtenus pour les liquides ioniques purs.

L'objectif de ce travail est de comprendre la structure et les interactions des liquides ioniques au contact de surfaces métalliques à l’échelle moléculaire en ayant recours aux méthodes de dynamique moléculaire. Il s’agit également d’étudier l’impact de ces caractéristiques microscopiques sur les propriétés tribologiques du système. Les liquides ioniques choisis en tant qu‘huiles lubrifiantes potentielles présentent des propriétés biodégradables et des caractéristiques tribologiques appropriées. Ils reposent sur des cations alkylammonium combinés avec des anions alkylsulfonate et bistriflamide. Notre étude est structurée en quatre parties. Elle commence par l’analyse des liquides ioniques purs puis, des liquides ioniques confinés entre deux surfaces de fer à l’équilibre et sous cisaillement, et enfin, en présence d’eau. Les propriétés structurales et dynamiques des liquides ioniques sont étudiées à travers la fonction de distribution radiale et les coefficients d’auto-diffusion. L’organisation des charges ainsi que la formation de micro-domaines en solution sont étudiées conjointement au comportement diffusif des espèces ioniques. Un champ de forces atomique, basé sur des méthodes quantiques, a été développé pour modéliser les interactions entre les liquides ioniques et la surface métallique. Des calculs DFT ont été réalisés sur des fragments de liquides ioniques en interaction avec un cluster de fer en fonction de la distance et de leur orientation. Une fonction modélisant des interactions site-site a été ajustée aux valeurs d’énergies fragment–cluster calculées par DFT afin d’obtenir les paramètres du champ de forces. Finalement, la polarisation du métal par les ions a été prise en compte en utilisant un modèle de dipôles induits afin de reproduire l’énergie d’interaction entre les charges et la surface conductrice. Avec ce modèle d’interaction, les simulations de dynamique moléculaire ont permis d’étudier la structure de l’interface entre une surface de fer plane et différents liquides ioniques. Cette analyse s’est concentrée sur l’étude du positionnement des différentes espèces au niveau de la surface, sur l’orientation des chaines alkyles et sur les profils de densité de charge. Des simulations de dynamique moléculaire hors-équilibre de liquides ioniques en interaction avec des surfaces de fer ont été réalisées en utilisant le champ de forces développé précédemment. Un protocole de simulation, basé sur une définition locale de la pression, a été développé pour prédire de manière quantitative le coefficient de friction en fonction de la valeur de la charge et du taux de cisaillement. La dépendance de la friction avec la charge, la vitesse de cisaillement, la topologie de la surface et la taille de la chaine alkyle du liquide ionique a été étudiée. La variation des forces de friction s’explique par l’arrangement spécifique des ions et l’orientation des groupements du liquide ionique à proximité de la surface. Finalement, l’effet de la présence d’eau en petite quantité dans une solution de liquide ionique a aussi été étudié à l’équilibre et hors-équilibre. Un potentiel a été construit pour décrire les interactions entre l’eau et une surface de fer en utilisant la même approche que celle décrite précédemment. Des résultats préliminaires concernant la structure de l’interface liquide-métal et la valeur du coefficient de friction ont été présentés et comparés avec ceux obtenus pour les liquides ioniques purs. / The aim of the present work is to understand at the molecular level the structure and interactions of ionic liquids at metallic surfaces, using molecular dynamics simulations, and to investigate the impact that these microscopic features can have in the tribological properties of the system. The chosen ionic liquids as potential lubricant oils present suitable ecotoxic and biodegradable properties and appropriate tribological characteristics. They are based in alkylammonium cations combined with alkylsulfonate and bistriflamide anions. Our study is divided in four parts, starting from the analyses of pure ionic liquids solutions and evolving to systems of ionic liquids confined between surfaces of iron, at the equilibrium, under shear and also in the presence of water. Structural and dynamic properties of ionic liquids are investigated in terms of the site-site radial distribution functions and the self-diffusion coefficients. The presence of charge-ordering and the formation of micro-domains in solution are discussed, as well as the diffusive behavior of the ionic species. An atomistic force field for ionic liquids interacting with a metal surface was built based on quantum methods. Density functional calculations of alkylammonium cations, alkylsulfonate and bistriflamide anions interacting with a cluster of iron atoms are performed, at a series of distances and orientations. A site-site potential function was then adjusted to the DFT interactions energies, to obtain the force field parameters. Finally, the polarization of the metal by the ions was taken into account using induced dipoles to reproduce the interaction energy between charges and a conductor surface. Using this interaction model, molecular dynamics simulations were performed to study the structure of the interfacial layer of several ionic liquids at a flat iron surface, including analyses of the positional and orientational ordering of the ions near the surface, and charge density profiles. Non-equilibrium molecular dynamics simulations of ionic liquids interacting with iron surfaces were carried out using the specific set of interaction parameters developed previously. A procedure was developed for a quantitative prediction of the friction coefficient at different loads and shear rates, based in a definition of pressure measured locally. The dependence of friction on the load, shear velocity, surface topology and length of alkyl side chains in the ionic liquid was investigated. The changes in the frictional forces were explained in terms of the specific arrangements and orientations of groups forming the ionic liquid at the vicinity of the surface. Finally, the effect of the presence of water in a small quantity in an ionic liquid solution is also studied at equilibrium and non-equilibrium. An interaction potential was build that describes the interaction between water and an iron surface, using the same approach described previously. Preliminary results are presented on the structure at the metal–liquid interface and friction coefficient, and compared with the pure ionic liquids.

Les visualisations, dans le sens général de représentations externes et physiques de données, sont plus anciennes que l'invention de l'écriture. De manière générale, les représentations externes encouragent la cognition et la pensée visuelle, et nous avons développé des savoir-faire pour les créer et les exploiter. La révolution informatique a augmenté la quantité de données qu'il est possible de collecter et de traiter, et a diversifié les façons de les représenter visuellement. Les systèmes de visualisation assistés par ordinateur, et étudiés dans le domaine de la visualisation d'information, sont aujourd'hui si puissants et complexes que nous avons besoin de techniques d'interaction très sophistiqués. Grâce au développement des possibilités technologiques au-delà des ordinateurs de bureau, un large éventail d'utilisations émerge. Non seulement des surfaces d'affichage de formes et de tailles variées permettent de montrer des visualisations plus riches, mais aussi des dispositifs d'entrée de nouvelle génération peuvent être utilisés qui exploitent les aptitudes humaines à manipuler les objets physiques. Cependant, ces technologies sont peu étudiées dans le contexte de la visualisation d'information. Tout d'abord, un premier problème découle d'une terminologie insuffisante. Dans cette thèse, je définis et étudie entre autres le concept de corporalisation (embodiment) pour la visualisation d'information. Concernant les visualisations, la corporalisation réfère à la congruence entre les éléments visuels d'une visualisation et leurs formes physiques. Ce concept intègre des concepts déjà connus tels que la tangibilité. Par exemple, l'interaction tangible s'attache à la représentation d'objets virtuels par des objets physiques. Mais en réalité, leur forme physique n'est pas nécessairement congruente avec l'objet virtuel. Un second problème découle du peu d'exemples convaincants d'interfaces tangibles appliquées à la visualisation d'information. Dans le domaine de la visualisation d'information, les écrans standard et les dispositifs d'entrée génériques tels que la souris, sont toujours les plus courants et considérés comme les plus efficaces. Cependant, aussi bien la partie affichage que la partie contrôle fournit des possibilités de corporalisation : les dispositifs d'entrée peuvent être spécialisés et adaptés de façon à ce que leur forme physique ressemble à leur fonction; les écrans peuvent être rendus déformables ou, dans l'avenir, être composés d'une matière programmable capable de prendre n'importe quelle forme imaginable. Mais la recherche sur les écrans et matières déformables est pour l'instant principalement dirigée par l'innovation technologique sans tenir compte des applications possibles à la visualisation d'information. Dans cette thèse, j'propose la corporalisation comme principe de conception pour la visualisation d'information. Je démontre l'efficacité et l'utilisabilité des dispositifs d'entrée corporalisés ainsi que des affichages corporalisés, en présentant trois expériences contrôlées. Par la suite, je présente un modèle d'interaction conceptuel et un système de notation visuelle pour décrire, comparer et critiquer différents types de systèmes de visualisation, et j'illustre l'utilisation de ce modèle à partir d'études de cas. Enfin, je présente un outil de conception pour aider à la création de visualisations physiques. Cet outil s'adresse à des utilisateurs novices en visualisation d'information et en fabrication numérique, et peut contribuer à sensibiliser ces utilisateurs à l'intérêt d'explorer des données qui les concernent dans leur vie quotidienne. En résumé, cette thèse contribue à la compréhension de la valeur ajoutée des interfaces physiques pour la visualisation d'information.

Les visualisations, dans le sens général de représentations externes et physiques de données, sont plus anciennes que l'invention de l'écriture. De manière générale, les représentations externes encouragent la cognition et la pensée visuelle, et nous avons développé des savoir-faire pour les créer et les exploiter. La révolution informatique a augmenté la quantité de données qu'il est possible de collecter et de traiter, et a diversifié les façons de les représenter visuellement. Les systèmes de visualisation assistés par ordinateur, et étudiés dans le domaine de la visualisation d'information, sont aujourd'hui si puissants et complexes que nous avons besoin de techniques d'interaction très sophistiqués. Grâce au développement des possibilités technologiques au-delà des ordinateurs de bureau, un large éventail d'utilisations émerge. Non seulement des surfaces d'affichage de formes et de tailles variées permettent de montrer des visualisations plus riches, mais aussi des dispositifs d'entrée de nouvelle génération peuvent être utilisés qui exploitent les aptitudes humaines à manipuler les objets physiques. Cependant, ces technologies sont peu étudiées dans le contexte de la visualisation d'information. Tout d'abord, un premier problème découle d'une terminologie insuffisante. Dans cette thèse, je définis et étudie entre autres le concept de corporalisation (embodiment) pour la visualisation d'information. Concernant les visualisations, la corporalisation réfère à la congruence entre les éléments visuels d'une visualisation et leurs formes physiques. Ce concept intègre des concepts déjà connus tels que la tangibilité. Par exemple, l'interaction tangible s'attache à la représentation d'objets virtuels par des objets physiques. Mais en réalité, leur forme physique n'est pas nécessairement congruente avec l'objet virtuel. Un second problème découle du peu d'exemples convaincants d'interfaces tangibles appliquées à la visualisation d'information. Dans le domaine de la visualisation d'information, les écrans standard et les dispositifs d'entrée génériques tels que la souris, sont toujours les plus courants et considérés comme les plus efficaces. Cependant, aussi bien la partie affichage que la partie contrôle fournit des possibilités de corporalisation : les dispositifs d'entrée peuvent être spécialisés et adaptés de façon à ce que leur forme physique ressemble à leur fonction; les écrans peuvent être rendus déformables ou, dans l'avenir, être composés d'une matière programmable capable de prendre n'importe quelle forme imaginable. Mais la recherche sur les écrans et matières déformables est pour l'instant principalement dirigée par l'innovation technologique sans tenir compte des applications possibles à la visualisation d'information. Dans cette thèse, j'propose la corporalisation comme principe de conception pour la visualisation d'information. Je démontre l'efficacité et l'utilisabilité des dispositifs d'entrée corporalisés ainsi que des affichages corporalisés, en présentant trois expériences contrôlées. Par la suite, je présente un modèle d'interaction conceptuel et un système de notation visuelle pour décrire, comparer et critiquer différents types de systèmes de visualisation, et j'illustre l'utilisation de ce modèle à partir d'études de cas. Enfin, je présente un outil de conception pour aider à la création de visualisations physiques. Cet outil s'adresse à des utilisateurs novices en visualisation d'information et en fabrication numérique, et peut contribuer à sensibiliser ces utilisateurs à l'intérêt d'explorer des données qui les concernent dans leur vie quotidienne. En résumé, cette thèse contribue à la compréhension de la valeur ajoutée des interfaces physiques pour la visualisation d'information. / Visualizations in the most general sense of external, physical representations of information are older than the invention of writing. Generally, external representations promote external cognition and visual thinking, and humans developed a rich set of skills for crafting and exploring them. Computers immensely increased the amount of data we can collect and process as well as diversified the ways we can represent it visually. Computer-supported visualization systems, studied in the field of information visualization (infovis), have become powerful and complex, and sophisticated interaction techniques are now necessary to control them. With the widening of technological possibilities beyond classic desktop settings, new opportunities have emerged. Not only display surfaces of arbitrary shapes and sizes can be used to show richer visualizations, but also new input technologies can be used to manipulate them. For example, tangible user interfaces are an emerging input technology that capitalizes on humans' abilities to manipulate physical objects. However, these technologies have been barely studied in the field of information visualization. A first problem is a poorly defined terminology. In this dissertation, I define and explore the conceptual space of embodiment for information visualization. For visualizations, embodiment refers to the level of congruence between the visual elements of the visualization and their physical shape. This concept subsumes previously introduced concepts such as tangibility and physicality. For example, tangible computing aims to represent virtual objects through a physical form but the form is not necessarily congruent with the virtual object. A second problem is the scarcity of convincing applications of tangible user interfaces for infovis purposes. In information visualization, standard computer displays and input devices are still widespread and considered as most effective. Both of these provide however opportunities for embodiment: input devices can be specialized and adapted so that their physical shape reflects their functionality within the system; computer displays can be substituted by transformable shape changing displays or, eventually, by programmable matter which can take any physical shape imaginable. Research on such shape-changing interfaces has so far been technology-driven while the utility of such interfaces for information visualization remained unexploited. In this thesis, I suggest embodiment as a design principle for infovis purposes, I demonstrate and validate the efficiency and usability of both embodied visualization controls and embodied visualization displays through three controlled user experiments. I then present a conceptual interaction model and visual notation system that facilitates the description, comparison and criticism of various types of visualization systems and illustrate it through case studies of currently existing point solutions. Finally, to aid the creation of physical visualizations, I present a software tool that supports users in building their own visualizations. The tool is suitable for users new to both visualization and digital fabrication, and can help to increase users' awareness of and interest in data in their everyday live. In summary, this thesis contributes to the understanding of the value of emerging physical representations for information visualization.