L'objectif du travail présenté est d'une part, de mieux comprendre le phénomène d'indentation des surfaces et d'autre part, d'évaluer la fatigue de surface liée à ce type de défaut. L'indentation des surfaces est le sujet de la première partie principalement expérimentale. Un dispositif original, associé à une machine à galets, permettant d'imposer un niveau contrôlé de pollution a été construit et validé. Nous avons tout d'abord étudié la probabilité de passage d'une particule solide dans un contact EHD et décrit les mécanismes d'indentation. L'influence de la nature du polluant et des conditions de fonctionnement (charge, vitesse de roulement et taux de glissement) a fait l'objet d'une attention particulière sur le nombre, la taille et la forme des indents observés. Dans une seconde partie, les conséquences de l'indentation sur la durée de vie du contact sont analysées à la fois d'un point de vue théorique et expérimental. Il s'agissait (i) d'identifier les mécanismes d'endommagement dont les indents sont à l'origine, (ii) de prédire les sites d'amorçage et (iii) d'évaluer l'importance de la géométrie de l'indent et des conditions de fonctionnement dans le processus d'endommagement. Ce travail s'est appuyé sur des codes de calcul existants. Les résultats de ces simulations numériques ont été confrontés aux résultats expérimentaux. Une bonne corrélation est notée pour ce qui concerne les sites d'amorçage. Ce travail constitue une première étape pour la prédiction des effets des polluants solides contenus dans les lubrifiants sur la durée de vie des surfaces des mécanismes.

Les recherches en biologie cellulaire ont été fortement marquées au cours des deux dernières décennies par la prise en compte accrue des propriétés mécaniques des cellules vivantes. Le développement remarquable d'un nouveau champ disciplinaire, la mécanobiologie, et l'étude des voies de signalisation associées, ou mécano-transduction, en sont des signes tangibles. Dans ce contexte, cette thèse est une contribution à la caractérisation des propriétés mécaniques actives et passives de cellules adhérentes à partir de leur réponse à des sollicitations imposées. <br />Cette approche, qui se définit formellement comme la résolution d'un problème inverse, a été développée dans une première partie de notre travail pour identifier le module d'élasticité intrinsèque de cellules adhérentes sollicités mécaniquement par pinces optiques ou pinces magnétiques. Ces techniques de micromanipulations permettent en effet de déformer le cytosquelette de la cellule par l'intermédiaire de billes fonctionnalisées accrochées aux récepteurs transmembranaires de la cellule. Cependant, l'analyse directe du couple sollicitation/réponse ne permet d'accéder qu'au module d'élasticité apparent de la cellule. L'originalité de notre travail est de proposer une amélioration significative de l'estimation du module d'Young de la cellule grâce à la prise en considération de plusieurs facteurs géométriques qui sont : (i) l'angle d'imprégnation de la bille dans la cellule, (ii) la hauteur sous bille de la cellule et (iii) la courbure de l'interface bille/cellule. Nous proposons notamment des fonctions explicites de ces paramètres permettant de corriger l'erreur commise lorsque la rigidité cellulaire est estimée sous l'hypothèse d'un milieu infini ou semi-infini. <br />La seconde partie de notre travail concerne la caractérisation, plus complexe, des propriétés mécaniques actives de cellules contractiles observées par vidéo-microscopie. Dans ce cas, l'illumination de la cellule est la fonction d'entrée, tandis que le champ de déplacement observé au cours du temps constitue la réponse cellulaire. Le problème inverse consiste ici à remonter au champ de contraintes intracellulaires à l'origine du champ de déplacement observé. Afin de mieux comprendre la dynamique contractile spontanée de cardiomyocytes isolés, nous avons dans un premier temps développé un algorithme de flot optique performant, basé sur la corrélation d'images, qui nous a permis de quantifier précisément l'évolution des déformations intracellulaires à l'échelle des sarcomères. A partir de ce champ de déformation spatio-temporel, nous avons pu reconstruire de façon originale la propagation des contraintes intracellulaires calcium-dépendantes qui gouvernent la périodicité et l'amplitude de la contraction du cardiomyocyte. <br />Nous montrons enfin en perspective l'intérêt de cette approche au niveau du tissulaire en présentant différents résultats obtenus en élastographie des artères coronariennes.

Cette thèse est une contribution au développement du processus de conception d'instruments chirurgicaux innovants, plus particulièrement pour la conception d'instruments dans le domaine de la chirurgie minimalement invasive pour lesquels la collaboration du chirurgien et de l'ingénieur est indispensable. L'objet de recherche de cette thèse est de mieux connaître la pratique de conception dans ce domaine particulier dans le but de proposer un modèle amélioré de processus de conception. L'étude bibliographique montre l'écart important entre l'approche médicale (validation clinique) et l'approche de l'ingénierie (conception innovante). Pour combler cet écart, un moyen peut être la mise en place de nouvelles méthodes de conception permettant une étroite collaboration entre l'ingénieur et le chirurgien. Dans ce contexte, il s'agit de trouver un équilibre entre les méthodes d'ingénieries pures et les méthodes centrées utilisateurs. Nous basant sur la recherche-action comme méthode de recherche de ce travail, nous nous sommes lancés dans l'action de conception d'un instrument chirurgical innovant, le projet Protige, afin d'observer et de capturer cette expérimentation. Les différentes analyses du corpus de ce projet nous ont aidés à découvrir et identifier de nouveaux aspects du processus de conception, comme la coévolution du produit et de l'usage et le rôle de l'utilisateur expert dans le processus. Finalement, nous avons proposé une modélisations descriptive de processus de conception, incluant les concepts d'émulation et de Conception Centrée Utilisateur Expert (Expert-UCD) pour ensuite formaliser une méthode prescriptive de processus de conception pour les instruments chirurgicaux innovants. Ce modèle a été éprouvé sur un nouveau cas de conception d'un instrument pour la chirurgie minimalement invasive. Une architecture informatique a été proposée comme support de cette proposition de modèle.

Le circuit du médicament est un élément primordial dans l'organisation des établissements de santé. Sa sécurisation et sa modernisation permettent de baisser sensiblement le nombre de personnes victimes d'erreurs médicamenteuses et de réduire les coûts (augmentation du rendement, libération de poste préparateur et gain de temps infirmière. . .). L'utilisation de la DJIN (Dispensation Journalière Individuelle Nominative), de systèmes de préparation et de transport sécurisés (robots, circuit pneumatique, chariots de dispensation. . .), de systèmes de contrôle de l'administration au lit du patient sont les solutions permettant d'éviter les erreurs humaines. Nous proposons dans cette étude d'utiliser des concepts du milieu industriel pour améliorer la sécurité et la traçabilité du circuit du médicament. Nous utilisons le paradigme de Système Contrôlé par le Produit (SCP) qui propose de mettre le produit au coeur du système en utilisant des nouvelles technologies tel que la RFID. Nous comparons le circuit du médicament avec un système d'assemblage : l'opération d'assemblage est vue comme un ajout de médicaments et le produit comme la préparation de la prescription pour un patient. Le but de cette thèse est de proposer une méthodologie de réingénierie, basée surl e MDA et ASCI, pour le contrôle par le produit en synchronisant les flux physiques et informationnels, puis de l'appliquer au circuit du médicament. Enfin, nous l'instancions au CHU de Clermont-Ferrand en testant différents scénarios à travers un logiciel de simulation afin de proposer une aide à la décision pour les pharmaciens et les responsables du CHU.

L'essor des dispositifs mobiles a conduit à un nouveau paradigme d'Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain (EIAH) : les environnements d'apprentissage ubiquitaires. Tout comme beaucoup d'EIAH classiques, les environnements d'apprentissage ubiquitaires permettent une médiation informatique entre l'apprenant et des connaissances propres au domaine d'apprentissage. Cependant, dans les EIAH ubiquitaires, cette médiation a lieu dans un contexte physique spécifique qui détermine en partie le déroulement des sessions d'apprentissage. Les objets de l'environnement physique, ainsi que les événements ou processus qui s'y déroulent, sont pris en compte pour fournir des informations adaptées ou proposer des interactions pertinentes. Nous nous plaçons dans ce travail dans le cadre de l'apprentissage en musée, pour des visites libres ou en groupes scolaires organisés. Nous analysons en première partie les pratiques d'apprentissage en musée et en particulier l'apprentissage instrumenté par des dispositifs mobiles. Cette analyse nous permet d'introduire, d'une part, les notions de représentation et de manipulation automatique de connaissances utiles à notre travail et, d'autre part, les concepts propres aux systèmes informatiques sensibles au contexte qui nous intéresseront en particulier. Nous proposons par la suite un modèle sémantique du patrimoine culturel permettant une description riche et complète des artefacts muséaux. L'apprentissage ubiquitaire nécessite une représentation adéquate du contexte. En nous inspirant des travaux de Zimmerman, nous proposons de représenter le contexte suivant plusieurs espaces contextuels, chaque espace contextuel étant associé à une ontologie. Ces espaces permettent de faire le lien entre les connaissances purement contextuelles et les connaissances issues de la modélisation du patrimoine culturel ; ils sont peuplés automatiquement en fonction des déplacements de l'utilisateur et de ses interactions avec le dispositif.Nous définissons un processus d'opérationnalisation des modèles du patrimoine culturel et du contexte à l'aide de calculs de proximités sémantiques pour la génération automatique d'activités d'apprentissage. Afin de prendre en compte le contexte, nous définissons également des proximités contextuelles mesurant l'adéquation des activités générées au contexte de l'utilisateur. Pour permettre aux enseignants de spécifier des objectifs pédagogiques, nous proposons un formalisme de règles pédagogiques offrant deux modes de contrôle : un contrôle thématique et un contrôle contextuel. Ces derniers permettent de concilier la liberté d'exploration de l'environnement, indispensable dans le cadre d'un apprentissage ubiquitaire, avec un guidage pédagogique défini par l'enseignant.

Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent le domaine de la localisation et la reconstruction 3D par vision artificielle. Dans ce contexte, la trajectoire d'une caméra et la structure3D de la scène filmée sont initialement estimées par des algorithmes linéaires puis optimisées par un algorithme non-linéaire, l'ajustement de faisceaux. Cette thèse présente tout d'abord une technique de recherche de l'amplitude de déplacement (recherche linéaire), ou line search pour les algorithmes de minimisation itérative. La technique proposée est non itérative et peut être rapidement implantée dans un ajustement de faisceaux traditionnel. Cette technique appelée recherche linéaire algébrique globale (G-ALS), ainsi que sa variante à deux dimensions (Two way-ALS), accélèrent la convergence de l'algorithme d'ajustement de faisceaux. L'approximation de l'erreur de reprojection par une distance algébrique rend possible le calcul analytique d'une amplitude de déplacement efficace (ou de deux pour la variante Two way-ALS), par la résolution d'un polynôme de degré 3 (G-ALS) ou 5 (Two way-ALS). Nos expérimentations sur des données simulées et réelles montrent que cette amplitude, optimale en distance algébrique, est performante en distance euclidienne, et permet de réduire le temps de convergence des minimisations. Une difficulté des algorithmes de localisation en temps réel par la vision (SLAM monoculaire) est que la trajectoire estimée est souvent affectée par des dérives : dérives d'orientation, de position et d'échelle. Puisque ces algorithmes sont incrémentaux, les erreurs et approximations sont cumulées tout au long de la trajectoire, et une dérive se forme sur la localisation globale. De plus, un système de localisation par vision peut toujours être ébloui ou utilisé dans des conditions qui ne permettent plus temporairement de calculer la localisation du système. Pour résoudre ces problèmes, nous proposons d'utiliser un capteur supplémentaire mesurant les déplacements de la caméra. Le type de capteur utilisé varie suivant l'application ciblée (un odomètre pour la localisation d'un véhicule, une centrale inertielle légère ou un système de navigation à guidage inertiel pour localiser une personne). Notre approche consiste à intégrer ces informations complémentaires directement dans l'ajustement de faisceaux, en ajoutant un terme de contrainte pondéré dans la fonction de coût. Nous évaluons trois méthodes permettant de sélectionner dynamiquement le coefficient de pondération et montrons que ces méthodes peuvent être employées dans un SLAM multi-capteur temps réel, avec différents types de contrainte, sur l'orientation ou sur la norme du déplacement de la caméra. La méthode est applicable pour tout autre terme de moindres carrés. Les expérimentations menées sur des séquences vidéo réelles montrent que cette technique d'ajustement de faisceaux contraint réduit les dérives observées avec les algorithmes de vision classiques. Ils améliorent ainsi la précision de la localisation globale du système.

Dans cette thèse, nous étudions les méthodes d'approximation et d'apprentissage qui fournissent des représentations parcimonieuses. Ces méthodes permettent d'analyser des bases de données très redondantes à l'aide de dictionnaires d'atomes appris. Etant adaptés aux données étudiées, ils sont plus performants en qualité de représentation que les dictionnaires classiques dont les atomes sont définis analytiquement. Nous considérons plus particulièrement des signaux multivariés résultant de l'acquisition simultanée de plusieurs grandeurs, comme les signaux EEG ou les signaux de mouvements 2D et 3D. Nous étendons les méthodes de représentations parcimonieuses au modèle multivarié, pour prendre en compte les interactions entre les différentes composantes acquises simultanément. Ce modèle est plus flexible que l'habituel modèle multicanal qui impose une hypothèse de rang 1. Nous étudions des modèles de représentations invariantes : invariance par translation temporelle, invariance par rotation, etc. En ajoutant des degrés de liberté supplémentaires, chaque noyau est potentiellement démultiplié en une famille d'atomes, translatés à tous les échantillons, tournés dans toutes les orientations, etc. Ainsi, un dictionnaire de noyaux invariants génère un dictionnaire d'atomes très redondant, et donc idéal pour représenter les données étudiées redondantes. Toutes ces invariances nécessitent la mise en place de méthodes adaptées à ces modèles. L'invariance par translation temporelle est une propriété incontournable pour l'étude de signaux temporels ayant une variabilité temporelle naturelle. Dans le cas de l'invariance par rotation 2D et 3D, nous constatons l'efficacité de l'approche non-orientée sur celle orientée, même dans le cas où les données ne sont pas tournées. En effet, le modèle non-orienté permet de détecter les invariants des données et assure la robustesse à la rotation quand les données tournent. Nous constatons aussi la reproductibilité des décompositions parcimonieuses sur un dictionnaire appris. Cette propriété générative s'explique par le fait que l'apprentissage de dictionnaire est une généralisation des K-means. D'autre part, nos représentations possèdent de nombreuses invariances, ce qui est idéal pour faire de la classification. Nous étudions donc comment effectuer une classification adaptée au modèle d'invariance par translation, en utilisant des fonctions de groupement consistantes par translation.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le choix des produits semi-finis (PSF) à stocker dans un contexte de très forte diversité. Nous faisons tout d'abord un état de l'art de tout ce qui se rapporte à la diversité de produits. Nous nous sommes positionnés dans une optique de mise en place de cette diversité en adoptant une politique d'assemblage à la commande. La question centrale est la détermination des différents PSF à stocker. Pour ce faire, nous faisons appel à deux critères pour évaluer les différentes compositions de stock de PSF : i) le nombre de type de PSF stockés : NPSF et ii) le temps moyen d'assemblage : TMA. Nous proposons deux approches : 1) Pour un NPSF fixé, déterminer les références de PSF à stocker qui permettent de satisfaire la demande de produits en minimisant le TMA. 2) Déterminer le nombre et les références des PSF à stocker permettant de garantir un temps d'assemblage fixé au moindre coût. Nous avons proposé des formulations mathématiques des problèmes, ainsi que des heuristiques et des méthodes exactes pour résoudre ces différents problèmes.

Les travaux de recherche de ce manuscrit s'inscrivent dans le cadre d'une coopération scientifique avec la société STMicroelectronics de Tours concernant les interconnexions des prochaines générations de circuits intégrés. L'intégration de nanotubes de carbone comme connecteurs en microélectronique de puissance, limiterait sévèrement les effets d'échauffements dans les empilements de puces, permettant une meilleure dissipation de la chaleur. Ce travail de thèse avait pour objectif de déterminer un procédé de croissance reproductible de nanotubes de carbone d'au moins 20 dm de long, en tapis perpendiculaire au substrat, peu pollué par du carbone amorphe afin de réaliser un véhicule test permettant de mesurer les propriétés thermiques et électriques du tapis de nanotubes obtenu. Le dispositif expérimental présenté utilise l'ablation laser pour le dépôt de catalyseur (fer) la méthode de CVD assistée par plasma radiofréquence d'éthylène et d'hydrogène pour la croissance de nanotubes de carbone. Des conditions optimales d'obtention des tapis répondant aux critères de réalisation des démonstrateurs, ont été définies à la suite d'une étude paramétrée. Pour les mesures électriques, des plots d'or servant d'électrodes, sont déposés sur les tapis de nanotubes. Lors des tests électriques 4 pointes sur le démonstrateur réalisé, le comportement ohmique des tapis de nanotubes a été mis en évidence. Une puissance de 300 mW/mm2 est déposée sur les plots sans aucun dommage pour les nanotubes, et une résistivité de l'ordre de 10-3 L.m a été estimée. Pour les tests thermiques, une couche mince de titane absorbant l'énergie d'un faisceau laser UV pulsé représentant la source de chaleur, est déposée sur le tapis de nanotubes. Des valeurs de conductivité thermique apparente de 200 - 300 W/m/K et intrinsèque de 660W/m/K ont été déterminées par méthode de pyrométrie infrarouge résolue en temps.

L'arrivée massive d'écrans LCD dits de haute-définition sur le marché, entraîne un besoin acru d'algorithmes d'augmentation de résolution pour l'affichage d'images ou de vidéos dont la résolution est inférieure à celle de l'écran. Nous proposons un schéma novateur d'interpolation d'images, basée sur une analyse multirésolution de la direction des contours. Le but de cette approche est de corriger les artefacts classiques d'interpolation qui apparaissent lorsque des méthodes habituelles sont utilisées (bilinéaire, bicubique), tout en évitant l'apparition des artefacts engendrés par la plupart des méthodes d'interpolation directionnelle. Notre estimation d'orientation de contours, basée sur une division de l'image originale en quadtree et une étude fréquentielle des contours est comparée à deux méthodes faisant référence dans l'état de l'art (transformée de Radon et algorithme de projection utilisé pour la création des bandelettes). Cette comparaison permet d'étudier les comportements de chaque méthode en vue d'une application à des images naturelles. Par la suite, l'interpolation en elle-même est introduite. Elle est basée sur l'utilisation d'un noyau d'interpolation isotrope (cubic-spline), qui est corrigée grâce à un filtrage Gaussien localement orienté dans la direction des contours. Les régions ne contenant pas de contour sont préservées grâce à la création d'un masque construit à partir de filtres de Gabor. Enfin, les résultats de notre interpolation sont comparés à des méthodes d'interpolation directionnelle récentes, afin d'illustrer les bonnes performances de notre algorithme sur des images naturelles de natures variées.