Evolution beyond substitutions: Computational modeling of the impact of chromosomal rearrangements on evolutionary dynamics

Doctorant : Paul BANSE

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 Informatique et mathématiques de Lyon

L'évolution telle qu'elle a été décrite par Darwin est un processus simple qui aboutit à une extrême complexité. En effet, étudier l'évolution biologique aujourd'hui correspond à étudier un phénomène allant d'échelles nanométriques à des échelles planétaires. En plus de cela, le processus est aussi affecté par des biais dus à la méthode d'écriture et de conservation de l'information. Finalement, il faut rappeler que chaque changement évolutif a pour origine une mutation, qui est un évènement aléatoire, et que la survie des mutants est, elle aussi, un processus aléatoire. Face à une telle complexité, il est nécessaire de réduire le champ d'étude pour espérer aboutir à une compréhension. Que ce soit avec des modèles expérimentaux, comme les boites de pétri, avec des modèles formels, comme les équations différentielles, ou avec des modèles computationnels, par exemple des simulations, toutes les simplifications sont bonnes à prendre pour décortiquer l'évolution. Parmi ces simplifications, il est courant de ne considérer que mutations. En particulier, ignorer les réarrangements chromosomiques, ces mutations qui réorganisent et réassemblent l'ADN et qui est souvent létales pour l'organisme qui les porte, est souvent considéré comme une simplification logique des modèles d'évolution. D'autant plus que jusqu'à récemment, les séquençages d'ADN réalisés n'étaient pas adaptés à les repérer. Dans cette thèse, nous allons montrer qu'en incluant les réarrangements, bien que les modèles obtenus soient plus complexes, il est possible d'en tirer une connaissance. Nous utiliserons des méthodes algorithmiques pour étudier le processus evolutif pour montrer que non seulement les réarrangements chromosomiques sont nécessaires pour soutenir l'évolution à long terme, puisqu’ils permettent une amélioration et de nouvelles opportunités d'évolution. Mais en plus, les comprendre permet d'expliquer simplement certaines dynamiques d’évolution par à-coups ainsi que la maintenance de segments non codants dans les génomes.

Détection, classification non-supervisée et investigation des mécanismes d'émission de multiplets acoustiques associés à la fissuration par fatigue

Doctorant : Théotime de LA SELLE

Laboratoire INSA : Mateis

Ecole doctorale :  ED34 : Matériaux de Lyon

Depuis la découverte des phénomènes de fatigue, la recherche scientifique n'a eu de cesse de chercher à comprendre et prévoir la rupture des matériaux engendrée par ces processus d'amorçage et de propagation de fissures sous l'effet de chargements variables. Ceux-ci ont été -et sont encore- la cause d'accidents et dysfonctionnements imprévus dans bon nombre de domaines techniques. Ce travail, combinant investigation du phénomène physique et son application en contrôle non destructif, s'intéresse aux groupes de signaux acoustiques que la fissuration par fatigue génère dans les métaux. Signatures d'une source unique, de tels ensembles de signaux similaires sont appelés "multiplets" acoustiques du nom du phénomène sismique analogue. Produits par des expérimentations de propagation de fissures de fatigue dans différents alliages, ces signaux émis en environnements bruités et enregistrés par un système d'émission acoustique sont détectés automatiquement par un algorithme dédié, regroupés en multiplets et étudiés pour en comprendre les mécanismes physiques dont ils sont issus. Par la synchronisation de leur détection avec la mesure par corrélation d'images numériques de grandeurs de mécanique de la rupture, l'investigation de ce phénomène d'émission acoustique montre que deux mécanismes sont à l'origine des multiplets : le frottement local répété des surfaces de rupture et la propagation incrémentale de la fissure dans le régime de Paris, probablement due à la réactivation de la plasticité en pointe de fissure à chaque cycle. La classification non-supervisée des multiplets permet en outre d'améliorer la détection initiale et de distinguer ces deux types uniquement à partir de l'information acoustique. Enfin, nous montrons que l'investigation de ce phénomène d'émission et la détection automatique de ces signaux de multiplets en milieu bruité peuvent être approfondie grâce à la fouille d'enregistrements acoustiques continus par apprentissage automatique.

 

Parameter-free analysis of digital surfaces with plane probing algorithms

Doctorante : Jui-Ting LU

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 Informatique Et Mathématiques de Lyon

Les volumes 3D discrets proviennent de diverses sources, notamment la segmentation d'images, la simulation numérique, et les éditeurs basés sur les voxels. Notre intérêt réside dans le traitement de la géométrie des surfaces discrètes entourant ces volumes, permettant la reconnaissance de structures locales telles que des segments de plans discrets. Cependant, les surfaces discrètes ont une géométrie pauvre, composée de surfels carrés parallèles aux axes. Pour analyser ces surfaces, des algorithmes de type plane-probing adaptent le voisinage autour d'un point en développant itérativement une approximation de plan, souvent sous forme de triangles, en fonction des informations locales. Notre objectif est d'analyser ces surfaces discrètes en utilisant les méthodes de type plane-probing.

Nous introduisons les algorithmes de type plane-probing existants dans un cadre général. De plus, nous proposons une nouvelle variante de l'algorithme de type plane-probing qui prend en compte un voisinage plus étendu que ceux des algorithmes existants. Nous proposons également une implémentation efficace de cette nouvelle variante.

Une découverte importante est que la suite de tétraèdres formée à partir de deux triangles consécutifs crée une triangulation de Delaunay dans une partie du plan discret. Cette propriété est vérifiée pour la nouvelle variante introduite. En conséquence, le triangle final retourné par l'algorithme a trois angles aigus ou droits. Ce résultat nous permet de déterminer l'étendue du voisinage considéré au cours des calculs.

Enfin, nous proposons quelques ajustements afin d'adapter ce type d'algorithme à des surfaces discrètes, permettant ainsi de déduire un estimateur de vecteurs normaux. Nous nous concentrons notamment sur la convergence multigrille de cet estimateur, qui a été observée expérimentalement pour des positions bien identifiées sur des surfaces discrètes convexes.

Multifunctional materials for intelligent textile: Toward automotive applications

Doctorant : Leopold DIATEZO

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

Ce projet de recherche de doctorant concerne l’élaboration et l’utilisation de matériaux multifonctionnels imprimable, en mettant l’accent sur les compromis entre propriétés matériaux et spécification applicative, avec un focus autour des fonctions de chauffage par effet joule et d’électroluminescence. L’originalité des travaux repose sur une approche couplée entre matériaux multifonctionnels et intégration textile. Le premier point de l’étude concerne la sélection des matériaux multifonctionnels jugés comme potentiellement intéressants pour la création de textiles intelligents adaptés aux secteurs cibles de la société TESCA-groupe. Cette sélection impliquait la caractérisation des propriétés électriques et thermiques des matériaux conducteurs ainsi que du substrat textile. De plus, des analyses à l'aide d'appareils de microscopie électronique à balayage (MEB)/ spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) et diffraction de rayon X (DRX) étaient effectuées pour étudier la microstructure, notamment l'adhérence, l'épaisseur des couches déposées et la composition chimique des matériaux. Le second aspect met l’accent sur une étude du vieillissement accéléré sur des éprouvettes unitaires des substrats textiles revêtus d'encre conductrice, en conformité avec les spécifications requises de la société Tesca. L'objectif de cette démarche était d'identifier les limites inhérentes à chaque matériau, telles que la déformation maximale, les variations de température, l'adhérence, la compatibilité des processus, etc., dans le but de proposer des axes d'optimisation ou de tenir compte de ces limitations lors de la conception des transducteurs intégrés sur substrat textile. Cette première étape nous permettait d'établir une base de matériaux multifonctionnels pouvant être utilisés pour des applications spécifiques, telles que les nappes chauffantes, les interrupteurs capacitifs ou résistifs, les transducteurs, les capteurs de grandeurs mécaniques, entre autres.
Le troisième volet de cette recherche consistait à assembler ces éléments de base pour créer des sous-fonctions qualifiées d’intélligente. En effet, la réalisation de transducteurs impliquait généralement la combinaison de différents matériaux multifonctionnels afin de répondre aux exigences spécifiques de l'application visée.
 

 

NAvigation en milieu MOdifiable (NAMO) étendue à des contraintes sociales et multi-robots

Doctorant : Benoit RENAULT

Laboratoire INSA : CITI
Ecole doctorale : ED512 : Infomaths

Alors que les robots deviennent toujours plus présents dans les environnements humains, endossant toujours plus de tâches telles que le nettoyage, la surveillance ou encore le service en salle, leurs limites actuelles n’en deviennent que plus évidentes. Une de ces limites concerne leur capacité à naviguer en présence d’obstacles: ils chercheront systématiquement à les éviter, et resteront bloqués à défaut. Ce constat a mené à la création d’algorithmes de NAvigation en milieu MOdifiable (NAMO), devant permettre aux robots de manipuler les obstacles pour faciliter leurs déplacements. Néanmoins, ces algorithmes ont été conçus sous l’hypothèse qu’un seul robot agîsse dans l’environnement, biaisant les algorithmes à n’optimiser que son seul coût de déplacement – sans considération pour les humains ou d’autres robots. S’il est souhaitable que les robots puissent bénéficier de la capacité humaine à déplacer des obstacles, ils doivent néamoins le faire dans le respect des normes et règles sociales humaines. Nous avons donc étendu le problème de NAMO pour prendre en compte ces nouveaux aspects sociaux et multi-robots. En nous basant sur le concept d’espaces d’affordance, nous avons développé un modèle de coût d’occupation sociale permettant d’évaluer l’impact des objets déplacés sur la navigabilité de l’environnement. Nous avons implémenté (et amélioré) des algorithmes NAMO de référence, dans notre outil de simulation open source, puis les avons modifiés afin qu’ils puissent trouver un compromis entre coût de déplacement et coût d’occupation des obstacles manipulés – résultant en une amélioration de la navigabilité. Nous avons également développé une stratégie de coordination permettant d’exécuter ces mêmes algorithmes tels quels, sur plusieurs robots en parallèle, en absence de communication explicite, tout en préservant la garantie d’absence de collisions; vérifiant la pertinence de notre modèle de coût social en présence effective d’autres robots. Ces travaux constituent les premiers pas d’une NAMO Sociale et Multi-Robots.

Méthodologie d’optimisation du dimensionnement et de la gestion de l'énergie d’un véhicule à hydrogène : application à un véhicule de compétition automobile

Doctorant : Essolizam PLANTE 

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : EEA

Les systèmes hybrides embarqués qui possèdent plusieurs sources d’énergie sont une alternative pour la transition écologique dans le secteur des transports. En contrepartie, ils sont complexes à dimensionner : il y a notamment une forte dépendance entre conception/choix des composants et loi de gestion de l’énergie pour assurer le fonctionnement nominal des composants du système et garantir une gestion d’énergie optimale. En effet, la complexité du problème à résoudre croît rapidement avec le nombre de composants dans le système : les méthodes d’optimisation classiques connaissent très rapidement des limites face au nombre croissant de variables de décision et la complexité des modèles. Il devient donc nécessaire d’élaborer de nouvelles méthodologies d’optimisation pour pré-dimensionner de tels systèmes. L’état de l’art met en exergue la nécessité de bien poser le problème, de reformuler ou d’adapter différentes parties de ce problème et enfin de s’appuyer sur l’hybridation des différentes techniques d’optimisation.
Dans ce travail, nous avons relevé deux défis. Le premier est relatif au développement d’une méthodologie pour l’optimisation couplée du dimensionnement et de la gestion de l’énergie étant donné l’usage. Le deuxième concerne l’application : non-conventionnelle, elle s’intéresse à un véhicule de compétition automobile pour lequel on ne recherche pas la consommation minimale mais la puissance massique maximale tout en garantissant l’achèvement de la mission temps un temps minimum. Ce type d’usage s’illustre par des transitoires de puissance demandée de grande amplitude à haute fréquence. Nous proposons donc dans ce travail différentes méthodes d’adaptation et de reformulation des éléments clés du problème afin d’aboutir à une démarche d’optimisation bi-niveau (dimensionnement et commande) qui permet de traiter des problèmes multi-objectifs. Cette contribution permet d’aboutir à des temps de calcul réduits mais néanmoins garantissant une vaste exploration de l’espace de recherche et une bonne optimisation de la gestion de l’énergie sur une mission représentative.
 

Modélisation de la distribution spatiale de l’îlot de chaleur urbain à l’échelle locale : mise en place et évaluation d’une approche par réseau de rues

Doctorante : Julie SORIANO

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

La modélisation du microclimat urbain est un outil précieux pour évaluer différentes configurations urbaines dans un contexte de surchauffes urbaines. Deux types de modèles sont souvent utilisés : des modèles détaillés ayant recours à la CFD, ou des modèles de canopée urbaine qui représentent un motif urbain répété avec les caractéristiques moyennes d’un quartier. Dans cette thèse, un nouveau modèle se plaçant entre ces deux catégories en termes de précision et de temps de calcul est développé. Son objectif est de modéliser l’îlot de chaleur urbain dans la couche de canopée urbaine à l'échelle locale et sur une période de l'ordre d'une saison, en représentant explicitement les bâtiments. Pour cela, une approche en réseau de rues canyon est proposée, inspirée de modèles de dispersion de polluants, notamment SIRANE. Elle consiste à utiliser un maillage zonal dans lequel chaque rue canyon correspond à une maille. Les intersections relient entre elles les rues, formant un réseau. Une première partie du travail de thèse consiste au développement d'un modèle aéraulique, radiatif et thermique de rue canyon. Ce modèle est confronté à des mesures sur des rues expérimentales sans végétation (ClimaBat). Enfin, la modélisation des arbres est comparée qualitativement à des mesures sur une rue expérimentale arborée à Angers. Dans une deuxième partie, un changement d'échelle est effectué et l'approche en réseau de rues est présentée en détail. Par ailleurs, un prétraitement des données météorologiques est développé dans l’optique d'estimer les conditions limites du quartier urbain simulé, à partir de mesures à une station météorologique. Des mesures à Bâle dans le cadre de la campagne BUBBLE ont permis de l’évaluer. Finalement, le modèle complet est appliqué sur un quartier réaliste, dans le but d'évaluer la cohérence des résultats. Dans l'ensemble, cette application a montré le potentiel du modèle pour des études de microclimat urbain.

 

Switched Battery DC-DC Converters for Low-Power Applications

Doctorant : Carlos Augusto BERLITZ

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED 160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Avec la popularisation récent des dispositifs électroniques portables, des capteurs sans fil et de l'Internet des objets (IoT), la demande de solutions de gestion d'alimentation efficaces et adaptables a atteint des sommets sans précédent. Les applications à faible puissance, couvrant un large éventail de domaines et sont devenues essentielles à notre mode de vie moderne. Ces applications, souvent alimentées par des ressources énergétiques limitées, présentent un ensemble unique de défis et d'opportunités dans le domaine de l'électronique de puissance. Alors que les convertisseurs CC-CC traditionnels ont démontré leur efficacité dans de nombreuses situations, leurs conceptions conventionnelles pourraient ne plus suffire à répondre aux exigences distinctes et strictes des systèmes à faible et ultra-faible puissance. La recherche des nouveaux convertisseurs CC-CC commuté spécifiquement adaptés aux applications à faible puissance est au cœur de cette thèse.

Traditionnellement, les convertisseurs CC-CC reposent sur des inducteurs ou des condensateurs pour une conversion à haute efficacité. Cependant, malgré les avancées dans des nombreux domaines de l'électronique de puissance, certaines limitations physiques et intrinsèques subsistent dans le comaine de failbe-puissance, telles que les pertes de partage de charge ou la difficulté de miniaturisation des inducteurs. De telles contraintes appelent à des solutions innovantes pour ce genre d'application des convertisseurs CC-CC.

Cette thèse proposer une solution pour relever les défis intrinsèques aux convertisseurs CC-CC traditionnels, une nouvelle famille de topologies de convertisseurs CC-CC à basse fréquence et faible puissance basée sur des batteries en tant que dispositif passif volant. Cette nouvelle famille de topologies est validée expérimentalement avec des avantages par rapport aux convertisseurs CC-CC traditionnels dans les mêmes conditions. Cela ouvre également un nouveau domaine d'étude pour les technologies passives jusqu'alors non explorées dans ce contexte, comprennent des batteries et piles à combustible.

Enhanced Grover's Algorithm Solutions for 5G Active User Detection

Doctorant : Muhammad Idham HABIBIE

Laboratoire INSA : CITI

Ecole doctorale : ED160 : EEA

5G includes features like Ultra-reliable low-latency communication (URLLC) and Massive Machine Type Communication (mMTC) to minimize delays and connect numerous devices. This necessitates an Active User Detection (AUD) scheme, requiring real-time detection by the Base Station (BS). Maximum Likelihood (ML) is the top performer for AUD but is complex. To simplify, alternatives like CCR and ZF have been introduced but cannot match ML's performance. To address this, we explore Grover's algorithm, known for its superposition abilities (working with 0 and 1 at the same time). However, Grover's algorithm, when constrained by the function f (x) = δ, does not perform as well as ML; it is more similar to CCR and ZF. To match ML's performance, Grover's algorithm needs modification to find the minimum distance, like ML does.
We propose a new algorithm, namely Improved Iterated Minimum Searching Algorithm (IIMSA), aimed at enhancing the existing Boyer-Brassard-Høyer-Tapp (BBHT) and Durr-Hoyer Algorithm (DHA), which are the promising method to find minimum using Grover's algorithm, to reduce their complexity while maintaining high performance. The idea is to use any random solution rather than carrying out random L iterations as suggested by DHA. We also incorporate classical methods such as ZF and CCR to enhance their performance and reduce the complexity. We also adapt Grover's algorithm in the context of AUD in this thesis.
We also introduce an Enhanced Grover's algorithm inspired by a quantum-hybrid solution that leverages both quantum and classical elements. The primary goal is to increase the success probability Ps and reduce complexity of the original Grover's algorithm. The concept involves using fewer Grover's iterations than the optimal number, denoted as Lopt, and combining it with classical success probability. We believe that this approach has the potential to alter the complexity behavior and achieve high success probability.

Simulation de la mise en forme de renforts NCF de composites basée sur des approaches mesoscopique

Doctorant : Ruochen ZHENG

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Les méthodes de modélisation mésoscopiques sont de plus en plus utilisées pour les renfort fibreux car elles sont capables de capturer certains défauts locaux tels que les (par exemple les écarts) se produisant pendant le processus de drapage. Ils permettent également de réaliser une caractérisation virtuelle du matériau du tissu, utilisée ultérieurement dans des simulations macroscopiques. Un point clé de la simulation à méso-échelle est de disposer d’un modèle 3D précis basé sur la géométrie réelle afin de déterminer plus précisément les propriétés mécaniques du tissu. Un modèle mésoscopique de NCF biaxial est proposé, qui atténue le coût de calcul et donne une représentation précise du comportement effectif.