Cette thèse traite des processus morphogénétiques au cours de l’embryogenèse pré-coce des vertébrés par le biais d’une étude mathématique et physique des lignagescellulaires spatio-temporels reconstruits à partir d’imagerie 3D+temps in vivo. Notreméthodologie repose sur une représentation de type système complexe de l’embryonavec ses différents niveaux d’organisation en interaction et l’analyse formelle des dé-placements cellulaires dans l’espace et dans le temps. Nous avons conçu et mis enœuvre une méthodologie originale pour identifier dans les lignages cellulaires la for-mation de compartiments en cohérence avec les repères anatomiques et l’organisationdes organes présomptifs. En outre, nous proposons une stratégie pour inférer les forcesbiomécaniques sous-jacentes. Nous délivrons également une interface informatique er-gonomique, d’abord déployée pour mettre en œuvre notre méthodologie, mais aussiconçue pour être extensible et versatile. Ces outils visent à construire une représenta-tion commune pour les biologistes, les mathématiciens, les physiciens et les informati-ciens explorant les processus de la morphogenèse des organismes vivants. / This thesis approaches morphogenetic processes in the early embryogenesis of verte-brates through the mathematical and physical study of spatio-temporal cell lineagesreconstructed from in vivo 3D+time images. Our methodology is based on a complexsystems representation of the embryo, with the interaction between levels of organiza-tion and the formal analysis of cell displacements in space and time. We designed andimplemented an original methodology to identify in cell lineages the formation of com-partments in consistency with anatomical landmarks and the organization of presump-tive organs. In addition, we proposed a strategy to infer the underlying biomechanicalforces. We also delivered a user-friendly computer interface, first deployed for usingour methodology but also designed to be extensible and versatile, which aims to bea common ground for biologists, mathematicians, physicists and computer scientistsinvestigating morphogenetic processes in living systems.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20374号 / 工博第4311号 / 新制||工||1668(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 引原 隆士, 教授 山川 宏, 教授 松尾 哲司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

In dieser Dissertation wird eine allgemeine zweiskalige Homogenisierungsmethode für große Deformationen entwickelt, welche die Trägheitskräfte der Mikroskala konsistent berücksichtigt. Die energetische Skalenkopplung der Methode basiert auf der erweiterten Hill-Mandel Bedingung für Makrohomogenität. Darüber hinaus wird die kinematische Skalenkopplung diskutiert und eine Volumenintegrals-Verschiebungsbedingung aufgezeigt, die eine allgemeine dynamische Betrachtung ermöglicht. Um einen effizienten Algorithmus zu gewährleisten, werden vier makroskopischen Tangenten-Module in geschlossener Form hergeleitet. Es werden zwei Rechenbeispiele genutzt, um allgemeine Eigenschaften der Methode zu analysieren. Dazu gehören das makroskopische Konvergenzverhalten und die Übereinstimmung mit einskaligen Referenzsimulationen. Des Weiteren wird der Einfluss der Verschiebungsbedingung und die Wahl der Einheitszelle als representatives Volumenelement auf die Antwort der Makroskale untersucht. Der Fokus der Arbeit wird im Anschluss auf die Modellierung hochduktiler Betone (Engl.: Strain-Hardening Cementitious Composites – SHCC) unter Stoßbelastung gelegt. Zunächst wird anhand von experimentellen Daten ein vereinfachtes Materialmodell kalibriert, welches das homogenisierte Faserauszugsverhalten repräsentiert. Danach wird dieses Faserauszugsmodell auf der Mikroskale eingesetzt und mit der vorgestellten Homogenisierungsmethode untersucht. Schließlich wird ein Split-Hopkinson-Bar Zugversuch numerisch repliziert. Dieser wird verwendet um die Funktionaltät der Methode aufzuzeigen, wie dynamische Effekte des Materials und der Struktur untersucht werden können. / A general numerical two-scale homogenization method for large strains is developed, which consistently takes into account inertia forces at the microscale. The energetic scale coupling of the framework is based on the extended Hill-Mandel condition of macro-homogeneity. Furthermore, kinematic scale links are discussed and a volume integral displacement constraint is proposed. To enable an efficient algorithm, closed form formulations of four macroscopic tangent moduli are derived. These consistently include the microscale inertia effects as well as the proposed displacement constraint. Two numerical examples are presented, a layered microstructure and a locally resonant material. These examples are used to analyze general properties of the presented framework, namely the macroscopic convergence behavior and the overall match with single-scale reference calculations. In addition, both the displacement constraint and the choice of unit cell as representative volume element are studied with respect to their influence on the macroscopic response. Subsequently, the thesis focuses on the modeling of strain-hardening cementitious composites under impact loading. First, a simplified material model representing the homogenized fiber pullout behavior is calibrated using experimental data. Then, this fiber pullout model is used at the microscale and studied using the proposed dynamic homogenization framework. Finally, a split Hopkinson bar tension test is numerically replicated and used to showcase the ability of the framework to thoroughly study the dynamic effects of the material and structure.