identifier: Schachner, A. J. (2022). Usability of Avionic Touchscreens Under Vibration: Supported versus Freehand Target Selection in Cockpit Conditions  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: (Problème) Dans le poste de pilotage, les écrans tactiles peuvent être éloignés du pilote et utilisés dans des conditions de vibration ou de turbulence. Des travaux précédents ont trouvé que les écrans tactiles offrent un débit (throughput; une métrique de performance capturant à la fois la vitesse et la précision) plus élevé dans des conditions statiques par rapport à d'autres dispositifs testés, mais que leur performance et leur taux d'erreur a dégradé plus rapidement sous l'effet des vibrations. L'utilisation d'un support manuel pour atténuer cet effet a été suggérée par la norme SAE ARP60494. Il est nécessaire de quantifier l'impact des vibrations sur la sélection des cibles à l'écran tactile dans le poste de pilotage, ainsi que de mesurer l'utilité du support manuel, en utilisant une méthodologie normalisée. (Objectif) Nous avons mesuré les effets de la vibration sur la sélection des cibles de l'écran tactile à l'aide d'une méthode normalisée, ce qui permet de comparer nos résultats avec ceux d'autres études, et comparé le support manuel (utilisant le pouce, en tenant le bord de l'écran, versus utilisant l'index, avec main libre), les écrans tactiles avioniques et commerciaux, et les positions de l'écran tactile. (Méthode) 24 participants ont effectué une tâche de sélection multidirectionnelle ISO 9241-411 (une tâche de sélection standardisée de Fitts). Nous avons bâti une plateforme d'essai réglable qui vibre, avec des écrans tactiles positionnés dans une géométrie représentative du poste de pilotage. Les participants ont été exposés à des niveaux de vibration représentatifs du vol en hélicoptère. Nous avons testé quatre écrans tactiles, deux positions d'écran, deux méthodes de support manuel et deux niveaux de vibration. Nous avons mesuré le débit de sélection des cibles, le taux d'erreur et la préférence subjective. (Résultats et discussion) Nous avons trouvé des valeurs moyennes de débit de 6,5 bits/sec sans vibration, contre 5,7 bits/sec avec vibration, ce qui est plus élevé que les valeurs de débit pour d'autres dispositifs d'entrée rapportées par les travaux précédents. Les taux d'erreur moyens étaient élevés : 10,3 % sans vibration, contre 16,6 % avec vibration. Comme dans les travaux précédents, nous avons constaté une augmentation exponentielle du taux d'erreur lorsque la taille de la cible diminue, ce qui souligne l'importance d'utiliser des cibles de taille appropriée. Dans des conditions statiques, le support manuel a clairement nui à l'utilisation de l'écran tactile à main levée. Dans des conditions de vibration, le débit était plus faible et le taux d'erreur similaire lors de l'utilisation du support manuel par rapport à l'utilisation à main levée. Nous n'avons donc pas trouvé de preuves de l'avantage d'un support manuel lors de l'exécution d'une tâche de sélection multidirectionnelle sur un écran tactile soumis à des vibrations. Dans des conditions de vibration, la position du piédestal a été meilleure que la position sur le tableau de bord principal (débit plus élevé et taux d'erreur plus faible). Dans des conditions statiques, les deux positions ont donné des résultats similaires. Les écrans tactiles avioniques ont une performance similaire aux écrans tactiles commerciaux. (Conclusion) Les résultats de cette étude sont importants pour établir des tailles cibles minimales pour les interfaces avioniques soumises à des vibrations, ainsi que pour comprendre l'impact des vibrations sur l'utilisabilité des écrans tactiles dans le cockpit, les différences entre les positions des écrans et les limites de l'utilisation d'un support manuel comme méthode d'atténuation des vibrations.  ABSTRACT: (Problem) Touchscreens in the cockpit may be placed far from the pilot, and be used under vibration or turbulence. Prior work found that touchscreens offered higher target selection throughput (a performance score combining both speed and accuracy) in static conditions, compared to other tested input devices, but their performance and error rate degraded more quickly under vibration. SAE ARP60494 has suggested using a hand-support to mitigate this effect. There is a need to quantify the impact of vibration on touchscreen target selection in the flight deck environment, as well as measure hand-support utility, using a standardized methodology. (Objective) We measured the impact of vibration on touchscreen target selection using a standardized methodology, allowing our results to be compared against other studies, and compared between hand-support methods (using the thumb, while holding onto the screen's edge, versus using the index finger freehand), avionic versus commercial touchscreens, and touchscreen positions. (Method) 24 participants completed an ISO 9241-411 multidirectional selection task (a standardized Fitts' target selection task).  We built an adjustable vibration test platform, with the touchscreens placed in representative cockpit positions.  The participants were exposed to vibration levels representative of helicopter flight. We tested four touchscreens, two screen positions, two hand-support methods and two vibration levels. We measured target selection throughput, error rate and subjective preference. (Results and Discussion) We found average throughput values of 6.5 bits/sec in static conditions, versus 5.7 bits/sec with vibration, which is higher than alternative input device throughput reported in prior work. Average error rates were high: 10.3% in static conditions, versus 16.6% with vibration. Similar to prior work, we found an exponential increase in error rate with decreasing target size. We failed to find evidence of a benefit from using the hand-support, compared to the freehand baseline, for the task and vibration conditions we investigated: the hand-support resulted in lower throughput, and higher or equivalent average error rate, in both static and vibration conditions.  Under vibration, the pedestal outperformed the main instrument panel position, with higher throughput and lower error rate. In static conditions, the two positions performed similarly. The avionic touchscreens performed similarly to the consumer touchscreens. (Conclusion) The findings of this study are important for establishing minimum target sizes for avionic interfaces under vibration, as well as understanding the impact of vibration on touchscreen usability in the cockpit, the differences between screen positions, and the limits of using a hand-support as a vibration mitigation method.


identifier: Makani, A. (2022). Computational Musculoskeletal Finite Element Model Studies of a Knee Joint during Stair Ascent  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le genou est une articulation très chargée dans le corps humain qui subit de grands mouvements dans diverses activités quotidiennes. Les dommages aux structures du genou sont associées à des charges internes importantes. Environ un tiers des troubles articulaires proviennent de la région fémoropatellaire (FP) qui fait de la montée des escaliers une activité exigeante pour les patients. En tant que l'une des articulations les plus fréquemment blessées du corps humain, le genou souffre d'arthrose (OA) plus que toute autre articulation portante. L'arthrose est destructrice pour l'articulation du genou en dégradant sa lubrification, ses propriétés mécaniques, sa composition et sa morphologie. L'obésité, les tâches quotidiennes lourdes (montée d'escaliers par exemple) et les blessures existantes exposent le genou à un risque encore plus élevé d'initiation et de progression de l'arthrose. Les résultats de la 3e enquête nationale sur la santé et la nutrition (1988-1994) sur 6596 adultes âgés (> 60 ans) ont révélé que 18,1 % des hommes américains et 23,5 % des femmes américaines souffraient de douleurs au genou, la prévalence augmentant avec l'âge. Les douleurs au genou sont également plus fréquentes chez les femmes que chez les hommes. Une hypothèse raisonnable et généralement acceptée est que l'initiation et la progression de l'arthrose sont associées à la fois à des changements anormaux dans les zones de contact et à une amplitude élevée des contraintes de contact. Il existe une corrélation dose-réponse claire entre les symptômes de l'arthrose du genou et les activités de travail pénibles telles que s'agenouiller, s'accroupir, monter des escaliers et soulever des objets. L'arthroplastie totale du genou (TKA) est un traitement éprouvé avec jusqu'à 20 % d'échec nécessitant probablement une reprise chirurgicale. C'est estimé que le nombre de procédures TKA d'ici 2030, avec 3,5 millions de procédures par an, connaîtra une forte augmentation. Les lésions du ligament croisé antérieur (LCA) sont plus fréquentes chez les jeunes, en particulier chez les athlètes féminines. Les athlètes masculins courent un risque 5 fois plus faible de déchirures du LCA par rapport aux femmes. Même avec une chance de succès relativement élevée pour les chirurgies de reconstruction du LCA, les patients avec un LCA déficient sont sujets à un risque élevé de maladies du genou à long terme, en particulier l'arthrose. Par rapport à la marche en palier comme l'activité quotidienne la plus populaire, la montée d'escaliers est moins fréquente mais une activité beaucoup plus exigeante avec surtout des forces de contact PF beaucoup plus importantes. La montée d'escaliers est une activité avec des moments et des angles sagittaux de la hanche et du genou plus importants que la marche à niveau.  ABSTRACT: The knee is a highly loaded joint in the human body that undergoes large movements in various daily activities. As a result, it is vulnerable to failure and degeneration. About a third of joint disorders originate from the patellofemoral (PF) region that is highly loaded in many activities as squat lifting, kneeling and stair ascent. As one of the most commonly injured joints of the human body, the knee suffers from osteoarthritis (OA) more than any other weight bearing joint. OA is destructive to the knee joint by degrading its lubrication, mechanical properties, composition, and morphology. Obesity, heavy daily tasks (Stair ascent for instance) and existing injuries place the knee at even a higher risk of OA initiation and progression. Results of the 3rd National Health and Nutrition Examination Survey (1988-1994) on 6596 older adults (>60 years) revealed that merely 18.1% of US men and 23.5% of US women suffered from knee pain with the prevalence rising with age. Knee pains are also more common in women than men. A sound and generally accepted hypothesis is that the initiation and progression of OA are associated with both abnormal changes in contact areas and elevated magnitude of contact stresses. There is a clear dose-response correlation between knee OA symptoms and heavy work activities such as kneeling, squatting, stair climbing, and lifting. Total knee arthroplasty (TKA) is a common procedure with up to 20% failure likely requiring revision surgery. It is predicted that the number of TKA procedures rises by 2030 to an estimated 3.5 million procedures per year. Anterior cruciate ligament (ACL) injuries are more common among younger population, especially in female athletes. Male athletes are at a 5 times lower risk of ACL tears in comparison with their female counterparts. Even with a relatively high chance of success for ACL reconstruction surgeries, ACL deficient patients are prone to a high risk of long-term knee diseases especially OA. Compared to the level walking as the most popular daily activity, stair ascent is less frequent but a much more demanding activity with especially much greater PF contact forces. Stair ascent is an activity with greater hip and knee sagittal moments and angles when compared to the level walking. Accurate quantification of the knee joint biomechanics in stair ascent is of great help not only in the injury and degeneration prevention but also in the improved design of implants, and rehabilitation and treatment strategies when managing knee joint disorders.


identifier: Saleh, A. (2022). An Investigation of Tibial Spike Instability in Total Knee Replacement with iAssist Technology  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'arthroplastie du genou est une chirurgie de remplacement articulaire qui nécessite l'ablation des surfaces endommagées ou blessées du fémur, du tibia et de la rotule pour les remplacer par des implants métalliques. Le succès de l'arthroplastie totale de genou dépend de la précision des résections osseuses et d'un bon alignement du genou. Divers systèmes de chirurgie assistée par ordinateur (CAS) ont été améliorés pour atteindre cet objectif, mais la complexité de ces systèmes les a empêchés d'être utilisés à grande échelle. Entre-temps, un système de navigation basé sur des accéléromètres a été développé, iASSIST, qui combine la précision des systèmes CAS avec des procédures d'alignement conventionnelles. La stabilité de la pointe insérée dans l'os est essentielle pour la précision du système. À la suite de cette nécessité, ce projet de maitrise est défini pour caractériser l'instabilité de l'instrument de référence tibial le plus récent d'iASSIST.  La conception précédente de l'instrument Tibial Alignment Guide utilisé dans l'iAssist Knee présentait un risque d'interférence de broche entre la longue pointe de la référence tibiale et les broches à insérer dans le guide de coupe. Ce problème a conduit à la refonte de la Tibial Reference originale avec deux spikes avec le nouveau design pour Tibial Reference contenant une seule spike. En ce qui concerne les exigences réglementaires en matière de contrôle de la conception, décrites du code des règlements fédéraux, les règlements sur le contrôle de la conception doivent s'appliquer à la conception et au développement de ce nouveau produit pour s'assurer que les exigences de conception spécifiées sont respectées. Cette nouvelle référence tibiale contient un nouvel instrument et une nouvelle technique chirurgicale avec une pointe qui sera insérée dans le tibia. Pour que le système soit précis, la référence tibiale doit être stable dans l'os. Par conséquent, la stabilité de cet instrument est un facteur qui doit être caractérisé lorsqu'il est impacté dans l'os. Suite à cette nécessité, ce projet de maître vise à caractériser l'instabilité de l'instrument de référence tibial le plus récent d'iASSIST. En outre, les erreurs causées par l'instabilité de l'insertion du pic de référence tibial dans l'os ont été étudiées. Dans ce projet, le bras CMM (Coordinate Measuring Machines) aide à calculer toutes les mesures liées à la rotation (en termes de rotation, de varus/valgus et de pente tibiale par rapport à l'axe mécanique du tibia) et à la translation entre l'os et la référence tibiale à plusieurs points clés de la chirurgie. De plus, une validation de la méthode d'essai a été effectuée pour la méthode d'essai de caractérisation de l'instabilité afin d'évaluer la répétabilité et la reproductibilité des mesures de la CMM. La somme résiduelle des carrés (RSS) de la référence tibiale et les variations osseuses (en Varus/Valgus, Flexion/Extension et Rotation) sont considérées comme l'erreur de mesure. Enfin, l'analyse de répétabilité et de reproductibilité de la jauge (Gage R&R) a été appliquée pour quantifier l'erreur de mesure. En traitant les expériences et en analysant les résultats, la principale source de variation a été détectée et la cause profonde de ces mesures erronées a été trouvée. Les résultats de la reproductibilité ont pu déterminer que les opérateurs étaient une source importante de variation qui avait une incidence sur la variabilité du système de mesure. En outre, la grande quantité de répétabilité montre qu'une grande partie de la variation totale était liée à l'instrument de mesure. Les recommandations pour résoudre ces problèmes sont probablement l'application des CMM sans contact qui fournissent les mesures les plus précises ainsi que la mise en œuvre d'opérateurs formés pour travailler avec la CMM. Par conséquent, il serait pertinent de mener d'autres études pour corriger les mesures erronées et améliorer les performances du système de mesure problématique.  ABSTRACT: Total knee arthroplasty (TKA) is a joint replacement surgery that requires the removal of the damaged or injured surfaces of the femur, tibia, and patella to replace with metallic or plastic implants. Successful Total knee arthroplasty depends on the accuracy of bone resections and proper knee alignment. Various computer-assisted surgery (CAS) systems have been improved to achieve this aim, but the complexity of these systems has prevented them from being widely used. Meanwhile, a navigation system based on accelerometers has been developed, such as the iASSIST knee, which combines the precision of large-console CAS systems with the ease of conventional alignment procedures by avoiding the preoperative imaging and eliminating large console required for registration. The stability of the spike inserted into the bone is critical for the accuracy of the system.  The previous design of the Tibial Alignment Guide instrument used in the iASSIST Knee had a risk of pin interference between the long spike of the Tibial Reference (TR) and the pins to be inserted in the Cut Guide. This issue led to the redesign of the original TR with two spikes with the new design for TR containing a single spike. Regards to regulatory requirements of design controls, outlined by Food and Drug Administration, design control regulations must apply to the design and development of this new product to ensure that specified design requirements are met.  This newly designed Tibial Reference contains a new instrument and new surgical technique with a spike that will be inserted into the tibia. For the system to be accurate, the Tibial Reference needs to be stable in the bone. Therefore, the stability of this instrument is a factor that should be characterized when impacted into the bone. Following this necessity, this master project aims to characterize the instability of the most recent Tibial Reference instrument of iASSIST. In addition, errors caused by the instability of the insertion of the Tibial Reference spike into the bone have been investigated.  In this project, the CMM arm helps to calculate all the measurements related to the rotation (in terms of rotation, varus/valgus, and tibial slope in relation with the tibia mechanical axis) and translation between the bone and the Tibial Reference at multiple key points during the surgical flow. Furthermore, a test method validation was conducted to the instability characterization test method to assess the repeatability and reproducibility of the CMM measurements. The Residual Sum of Squares (RSS) of the Tibial Reference and bone variations (in Varus/Valgus, Flexion/Extension, and Rotation) are considered as the measurement error.  Finally, the gage repeatability and reproducibility (Gage R&R) analysis were applied to quantify the measurement error. Through processing the experiments and analyzing the results, the major source of variation was detected, and the root cause of these erroneous measurements was found. The results from Reproducibility could determine that the operators were a significant source of variation that impacted the variability of the measurement system. In addition, the great amount of Repeatability shows that a major part of the total variation was related to the gage instrument. Recommendations to solve these issues are the application of the non-contact CMMs which provide the most accurate measurements along with implementing trained operators for working with CMM. Therefore, it would be relevant to carry out further studies to correct the erroneous measurements and improve the problematic measurement system's performance.


identifier: Pomerantz, T. (2022). Développement d'une solution d'étalonnage automatique d'un robot industriel de réparation de pièces aéronautiques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En robotique industrielle, la programmation des robots est souvent effectuée manuellement. L'opérateur déplace le robot aux points désirés puis enregistre les positions que le robot répétera en boucle pour réaliser une tâche. Ce type de programmation est particulièrement adapté pour définir des trajectoires qui ne changeront pas d'une pièce à l'autre. On peut par exemple penser aux procédés de soudure et de peinture dans le domaine automobile.  Certaines applications nécessitent par contre une trajectoire spécifique pour chaque pièce et il serait contre-productif d'utiliser cette méthode pour chaque pièce dans ce cas. La programmation hors ligne est alors utilisée pour définir les trajectoires sans avoir besoin du robot physique. Cette méthode nécessite donc une bonne modélisation du robot afin d'anticiper les corrections à apporter aux trajectoires théoriques.  Ce projet a été réalisé avec l'entreprise de robotique AV&R sur une cellule de réparation de pièces aérospatiales utilisant la programmation hors ligne. Le but du projet est d'étalonner le robot afin de trouver son modèle avec précision. À la différence des méthodes traditionnellement utilisées en étalonnage, aucun appareil de mesure externe ne sera utilisé et le capteur de force déjà présent sur le robot sera utilisé à la place. Cette particularité est intéressante, car une des principales dépenses d'un projet d'étalonnage est liée à l'instrument de mesure.  Ce projet de maîtrise a permis de développer une solution d'étalonnage automatique se servant du capteur de force du robot. Une série de tests ont permis de déterminer que l'erreur de positionnement a été divisée par 2, passant par exemple de 4.83 mm à 2.05 mm dans le cas du test se rapprochant le plus des conditions d'utilisation réelles. Cette méthode pourrait alors être appliquée pour étalonner tout robot équipé d'un capteur de force à un coût bien inférieur à celui des solutions existantes.  ABSTRACT: On-line programming is often used in robotic applications to program the robot path manually which means the operator needs to place the robot in each desired pose in order to reccord the configuration and create the path for the task at hand. On-line programming is suitable for repetitive tasks where the desired path will not change from one part to another such as the painting or welding processes in the automotive industry. Of course, some other tasks will require a different trajectory for each part and it would be counterproductive to generate a new path for each procedure. Off-line programming can then be used to determine the robot trajectory without having to physically generate the path on the robot each time. Without human supervision, this method requires a good understanding of the robot model in order to anticipate the corrections to the path.  This project was in collaboration with the robotics company AV&R on a repair cell that uses off-line programming on aerospace parts. The goal is to develop a calibration method that allows increasing the robot's model accuracy.  Unlike standard calibration methods, this project uses the force sensor included in the robotic cell instead of an external measurement captor in order to reduce calibration costs.  The objective of this project is to establish a model that can be calibrated and validated by simulation and physical experiments using a force sensor. Experiments showed that accuracy was improved from 4.83 mm to 2.05 mm in tests mimicking real process utilization. Depending on the required accuracy, considering that any robot is already equipped with a force sensor and that the method does not require any external measurement captors, the process is considerably cost effective when compared to other calibration methods that require expensive metrology equipment.


identifier: Piché, D. (2022). Génération de base de connaissance à partir de données hétérogènes dans le monde culturel  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉ : Le monde culturel québécois est riche et varié, et ceci se concrétise par l'importante quantité de métadonnées sur les mondes du livre et du cinéma que les acteurs gouvernementaux, aca- démiques et commerciaux ont accumulé. Cependant, ces données sont actuellement en bonne partie indisponibles au public, et sont encodées dans des bases de données dont les modèles, parfois complexes et généralement incompatibles d'une institution à l'autre, rendent l'exploi- tation difficile. De plus, sauf certaines exceptions, elles ne sont pas reliées aux métadonnées diffusées librement ailleurs sur le web, que ce soit par l'entremise de projets collaboratifs publics tels que Wikidata, ou par des acteurs tels que certaines bibliothèques nationales européennes. La création de bases de connaissances sous forme de graphes peut permettre la démocratisa- tion de ces métadonnées, en simplifiant leur exploitation et en les liant vers d'autres bases de connaissances existantes. Ce mémoire résume notre travail de création de bases de connais- sances pour les mondes du cinéma et de la littérature québécois, en particulier la modélisation de modèles ontologiques et la population des graphes à partir de sources relationnelles. Nous présentons d'abord une base de connaissances pour le domaine du cinéma québécois, qui utilise un jeu de métadonnées fourni par la Cinémathèque québécoise. À partir de scénarios d'utilisation fournis par des experts du milieu, nous développons un modèle ontologique pour ce domaine, et décrivons la conversion des données sources de leur format original vers la base de connaissances finale.  ABSTRACT: Quebec's cultural world is rich and full of variety, as is illustrated through the imposing amount of cultural heritage metadata that exists. Governmental, academic and commer- cial players have accumulated a large amount of data relating to literary and film works. However, this data is currently largely unavailable to the greater public, and are held in datastores whose underlying datamodels, which are often complex and incompatible between institutions, complicate their use. On top of this, except for rare exceptions, this data is not interlinked with other linked open data sources available elsewhere on the web, whether they be public collaborative projects such as Wikidata or knowledge bases published by national librairies. The development of knowledge bases in graph form can aid in democratising this metadata, by simplifying its exploitation and allowing it to be linked with existing, open knowledge bases. This memoir summarizes our work, which is the creation of knowledge bases for Quebec's cinema and literature data. In particular, our work focuses on modelling and populating such knowledge bases from existing relational databases. We first model a knowledge base for Quebec's film world, which uses a dataset provided by the Cinémathèque québécoise. Our use cases, provided by domain experts, guide our development of an ontological model for this domain. We describe the translation of this source data from its original format towards the final knowledge base.


identifier: Alahyari Fard, F. (2022). Spatio-temporal modeling of taxi trips  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

title: Spatio-temporal modeling of taxi trips

abstract: RÉSUMÉ: Les taxis sont une composante essentielle du système de transport urbain, car ils complètent les différents modes de transport public. Contrairement aux modes transport collectif tels que le métro ou les bus, qui fonctionnent selon des itinéraires et des horaires fixes, les taxis n'ont pas d'horaires, d'itinéraires ou d'arrêts à respecter. En outre, dans les zones métropolitaines, le service de taxi est devenu un mode de transport populaire, en raison de sa rapidité et de son service porte-à-porte, de sa flexibilité et de son caractère planifiable. Une meilleure compréhension de la demande de taxis est nécessaire pour aider le secteur à améliorer l'offre de taxis afin de mieux répondre aux besoins des passagers de manière à ce que le taxi soit complémentaire aux autres modes de transport tels que le bus et le métro. En outre, la compréhension de la variation temporelle et spatiale de la demande de taxis peut aider les chauffeurs à fournir un service aux passagers au bon endroit et au bon moment. Cela peut empêcher les chauffeurs d'errer dans les rues pour trouver des passagers, ce qui entraîne une augmentation des embouteillages et de la consommation d'essence.  ABSTRACT: Taxis are an essential component of the urban transport system as they complement the various modes of public transport. Unlike public transport modes such as metro or buses, which operate based on fixed routes and scheduled times, taxis do not adhere to any schedules, routes, or stops. Furthermore, in metropolitan areas, taxi service has become a popular mode of transportation, due to its fast and door-to-door service, flexibility, and plannability. Better understanding the taxi demand is necessary to help the industry improve the supply of taxis to better meet the needs of passengers in a way that taxi is complementary to other modes of transportation such as bus and metro. Furthermore, understanding the temporal and spatial variation of taxi demand can help drivers to provide service to passengers at the right location and time. This can prevent drivers from wandering the streets to find passengers which leads to more congestion and gasoline consumption. According to the literature, several factors can explain taxi demand, such as land use, road design, urban environment, bus stops, road length and importantly weather. Two main reasons have made forecasting taxi demand a difficult task. Firstly, many of the factors which explain the taxi demand vary both spatially and temporally, similar to the taxi demand which fluctuates over space and time. The second reason is that taxi is often used for irregular and occasional trips, which makes forecasting the pattern of its usage a difficult task.


identifier: Wuelfrath-Poirier, V. (2022). Développement d'une poudre d'acier allié pour la production par fabrication additive par fusion par laser sur lit de poudre de pièces résistantes à l'usure et à l'oxydation à hautes températures  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse décrit les travaux qui ont mené à la conception d'une nouvelle poudre d'acier fortement allié destinée à des applications nécessitant une excellente résistance à l'usure et à l'oxydation à hautes températures. Pour ces applications, des aciers inoxydables austénitiques présentant une fraction volumique élevée de carbures riches en Cr, Mo et/ou W sont généralement utilisés. Lorsque la performance globale de ces matériaux n'est pas suffisante, des alliages à forte teneur en Co sont utilisés puisqu'ils présentent des résistances à l'usure et à l'oxydation nettement supérieures. Cependant, le coût relatif de l'utilisation des alliages riches en Co est significativement plus élevé que celui des aciers inoxydables austénitiques, c'est pourquoi il existe un besoin réel de trouver des solutions économiquement favorables au remplacement des alliages à forte teneur en Co. La solution proposée et décrite dans cette thèse fait intervenir deux hypothèses principales pour l'amélioration des propriétés d'intérêt des aciers inoxydables austénitiques soit : • Le remplacement partiel des carbures riches en Cr, W et/ou Mo par des carbures de niobium (Nb) afin d'augmenter la dureté de l'acier à hautes températures et d'ainsi augmenter sa résistance à l'usure. • Le remplacement de la couche d'oxyde de Cr protectrice qui se forme naturellement à la surface des aciers inoxydables conventionnels par une couche d'oxyde d'Al offrant une protection supérieure contre l'oxydation à très hautes températures. Le projet se penche sur un type de pièces en particulier, soit les composantes de turbocompresseurs utilisés dans des moteurs au diesel et à l'essence. Les pièces qui composent la section turbine des turbocompresseurs (e.g. douille de soupape de décharge) sont exposées à des températures pouvant atteindre 1000 °C et pour lesquelles le mode de défaillance principal est l'usure excessive causée par un glissement entre les pièces en mouvement. L'approche proposée fait intervenir les procédés de fabrication additive par laser (L-PBF) pour mettre en forme la nouvelle poudre d'acier fortement allié. La poudre AFA6 présente la composition chimique suivante : • Fe – 24 Ni – 20 Cr – 4 Al – 3 Mo – 3 Nb – 1C. Une fois déposé, le nouvel acier présente une densité élevée et une microstructure complètement austénitique contenant une fraction volumique élevée de carbures riches en Cr-Fe-Mo et de carbures riches en Nb. Cette microstructure est toutefois fortement instable dû à la solidification et au refroidissement rapide des bains de fusion lors de l'impression. C'est pourquoi les échantillons imprimés doivent être traités thermiquement avant d'évaluer les propriétés de l'acier AFA6. Un traitement thermique a été développé dans le cadre du projet et consiste en un séjour de 2 heures à 1100 °C suivi de 2 heures à 800 °C afin d'obtenir une microstructure stable pour une utilisation à hautes températures. À la suite du traitement thermique, l'acier AFA6 présente une microstructure austénitique contenant une dispersion de carbures riches en Cr-Fe-Mo, de carbures riches en Nb et d'intermétalliques NiAl.   La résistance mécanique en traction de l'acier AFA6 mis en forme par L-PBF et traité thermiquement est supérieure à celle de l'acier austénitique Nitronic 60 à 25 °C, 400 °C et 800 °C. L'allongement à la rupture est cependant inférieur puisque la fraction volumique élevée de phases durcissantes (i.e. carbures et intermétalliques) dans sa microstructure lui confère un comportement relativement fragile. Ce comportement fragile est d'autant plus apparent à la suite d'essais de résistance à l'impact de type Charpy. La résistance à l'usure de l'acier AFA6 à 400 °C est excellente et supérieure à celle d'aciers austénitiques présentement utilisés pour les applications visées.  L'acier AFA6 présente une résistance à l'usure similaire à celle d'alliages à forte teneur en Co à 400 °C. À 800 °C, la résistance à l'usure de l'acier AFA6 est similaire à celle d'aciers austénitiques fortement alliés. La résistance à l'usure élevée de l'acier AFA6 est en partie due à la formation d'une couche d'oxyde qui recouvre la surface de glissement et diminue l'usure. De plus, la résistance à l'oxydation de 700 °C à 1000 °C de l'acier AFA6 est supérieure à celle de tous les matériaux hautes températures présentement utilisés pour les applications visées. Cette résistance supérieure est attribuée à la formation d'une couche d'oxyde d'aluminium protectrice à la surface de l'acier dans ces conditions. Le coût des éléments purs qui composent la poudre AFA6 équivaut à celui de poudres d'aciers austénitiques présentement utilisées pour les applications visées, et est 2,5 fois inférieur à celui d'alliages de Co haute performance. D'un point de vue industriel, l'utilisation d'un procédé de fabrication additive flexible, tel que le placage laser, permettrait une meilleure pénétration de la solution proposée. L'évaluation de la mise en forme de la poudre AFA6 par ce procédé est détaillée dans le cadre d'un projet en partenariat industriel faisant suite au projet décrit dans cette thèse.  ABSTRACT: This document presents the scientific work that led to the development of a new highly alloyed steel powder for applications that require excellent wear resistance and oxidation resistance at high temperatures. Alloyed austenitic stainless steels are commonly used for these applications. The microstructure of these materials contains a large amount of alloyed carbides rich in either Cr, W, and/or Mo to increase their resistance to sliding wear. In the most extreme conditions, Co-based alloys are preferred as they show tremendous resistance to wear and oxidation at high temperatures. The relative cost of using Co-based alloys can however be prohibitive and extensive research effort is put into developing cost-effective alternatives to Co-based materials. The solution that is proposed and described in this thesis is based on two main hypotheses to increase the properties of austenitic stainless steels: • Alloying the steel with Nb to partially replace the Cr, W and/or Mo carbides with Nb carbides that are harder at high temperatures. This should increase the overall wear resistance. • Alloying the steel with Al to replace the naturally forming Cr2O3 layer by an Al2O3 layer which offers greater protection against oxidation at high temperatures. The targeted applications for the powder under development are turbocharger components used in diesel and gasoline engines. The components that make up the turbine section of these turbochargers are exposed to temperatures up to 1000 °C and typically fail due to excessive wear. The manufacturing approach that is being investigated for the new material is laser deposition by additive manufacturing (AM) processes, mainly laser powder bed fusion (L-PBF). The chemical composition of the new powder (AFA6) is: • Fe – 24 Ni – 20 Cr – 4 Al – 3 Mo – 3 Nb – 1C. The as-printed samples show high densities, and a fully austenitic microstructure that contains CrFe-Mo rich carbides and Nb rich carbides. The as-printed material, however, must be heat treated as the as-printed microstructure is highly unstable due to the high cooling rates involved in laserbased AM. A heat treatment was developed during the project and consists in a dwell time of 2 hours at 1100 °C followed by 2 hours at 800 °C. The resulting microstructure is fully austenitic and contains a distribution of fine Cr-Fe-Mo rich carbides, Nb rich carbides and NiAl. The tensile strength of heat treated AFA6 processed by L-PBF is higher than that of austenitic stainless steel Nitronic 60 at 25 °C, 400 °C and 800 °C. Elongation to fracture, however, is lower due to the large amount of hard phases (i.e. carbides and intermetallics) in the microstructure of AFA6 that makes it relatively brittle. The brittle nature of heat treated AFA6 is even more apparent following Charpy impact strength testing. The overall wear resistance of AFA6 is excellent and better than the currently used austenitic stainless steels at 400 °C. AFA6 offers similar wear resistance to Co-containing alloys at 400 °C. At 800 °C, the wear resistance of AFA6 is similar to those of austenitic stainless steels. The excellent resistance to wear of AFA6 steel is attributed to the formation of a compact oxide layer when subjected to sliding wear that covers the surface of the material and reduces subsequent wear. Furthermore, the oxidation resistance of AFA6 is better than those of the reference austenitic stainless steels and Co-based alloys up to 1000 °C. The excellent oxidation resistance of AFA6 is attributed to the formation of a stable and protective Al2O3 layer at high temperatures that protects the underlying steel from oxidation. The overall production cost of AFA6 based on raw materials is similar to those of currently used austenitic stainless steels and is 2,5 times lower than those of Co-based alloys. Following the success of the current project, a new research agreement was developed and aim at evaluating if the AFA6 powder can be used for laser cladding, a process that offers more flexibility for our industrial partner than L-PBF.


identifier: Dah-Achinanon, U. (2022). A Runtime Environment for Micro and Macro UAV Swarms  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un essaim de véhicules aériens sans pilote (UAV) est un groupe de robots volants ou de drones exploitant les capacités de la robotique en essaim pour atteindre un objectif commun. Les drones attirent de plus en plus l'attention depuis quelques années grâce à leurs multiples applications dans des domaines tels que : le militaire, l'agriculture, la recherche et sauvetage, et plus encore. Lorsqu'elles sont couplées à la robotique en essaim, les applications des drones augmentent considérablement et ajoutent de la robustesse, de la flexibilité, de la tolérance aux pannes et de la rapidité d'exécution aux applications existantes. Bien qu'intéressantes, la plupart de ces applications potentielles sont uniquement théoriques, ce qui crée un manque de déploiements réels d'essaims de drones. Passer à des applications dans le monde réel nécessite plusieurs considérations, dont les réseaux ad hoc, l'interaction des utilisateurs, les outils de développement spécifiques au domaine et l'acquisition de télémétrie. Ce mémoire propose de combler le fossé entre la théorie et la réalité pour les essaims de drones à travers deux réalisations concrètes. Tout d'abord, un outil de développement logiciel conçu pour les robots à ressources limitées, appelé BittyBuzz, a été développé. BittyBuzz est un environnement d'exécution du langage Buzz et a été conçu pour les microcontrôleurs. Il a été intégré à plusieurs plates-formes robotiques, dont Bitcraze Crazyflie, un nano quadricoptère utilisé dans la recherche et l'éducation. Deuxièmement, une application d'essaim de drones dans le monde réel a été conçue et déployée pour les opérations de recherche et de sauvetage. L'application utilise un modèle de recherche basé sur le point de rendez-vous et forme une arborescence de relais pour l'étape de sauvetage, permettant la connectivité entre les opéra- teurs au sol et les victimes. L'implémentation a été réalisée en utilisant ROSBuzz, un nœud ROS existant qui encapsule la machine virtuelle Buzz.  ABSTRACT: A swarm of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is a group of flying robots or drones that leverage the capabilities of swarm robotics to achieve a common goal. UAVs have been attracting an increasing level of attention for the past few years thanks to their multiple ap- plications in fields such as: military, agriculture, search and rescue, and more. When coupled with swarm robotics, the applications of UAVs drastically increase while adding robustness, flexibility, fault tolerance and speed of execution to the existing applications. Although interesting, most of these potential applications are solely theoretical, creating a lack of real- world deployments of UAVs swarms. Moving toward real-world applications requires multiple considerations, including but not limited to ad-hoc networks, user interaction, widespread domain specific development tools and telemetry acquirement. This thesis proposes to bridge the gap between theory and reality for UAV swarms through two concrete realizations. First, a software development tool designed for resource constrained robots, called BittyBuzz was developed. BittyBuzz is a runtime environment for the domain- specific language Buzz, and was designed for microcontrollers. It was integrated with multiple robotic platforms, including Bitcraze Crazyflie, a nano quadcopter used in research and education. Second, a real-world UAV swarm application was designed and deployed for search and rescue operations. The application uses a search pattern based on rendezvous point and forms a relay tree for the rescue stage, allowing connectivity between ground operators and victims. The implementation was realized by using ROSBuzz, an existing ROS node that encapsulates the Buzz Virtual Machine.


identifier: Gendron-Paul, M. (2022). Magnéto-photoluminescence des alliages de GeSn : conception d'un montage et mesures préliminaires  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les spins des porteurs de charge dans les semiconducteurs peuvent être exploités pour la mise en place des qubits nécessaires au développement des processeurs quantiques. Ces qubits sont compacts et peuvent être compatibles avec les procédés de fabrication à grande échelle. Les semiconducteurs du groupe IV possèdent plusieurs avantages pour explorer et contrôler les propriétés du spin : existence d'isotopes stables sans spin nucléaire (nécessaires pour éliminer les interactions hyperfines), compatibilité avec les standards de fabrication de l'industrie des semiconducteurs, etc. Or, les semiconducteurs comme le silicium et le germanium possèdent une bande interdite indirecte ce qui limite l'efficacité de leur interaction (absorption et émission) avec la lumière. Cela rend difficile le développement d'interfaces photon-spin qui sont critiques pour la distribution de l'intrication quantique (du qubit volant au processeur statique à base de spin). Les semiconducteurs de GeSn (groupe IV) permettent de contourner ce problème puisque les alliages ayant une concentration d'étain supérieure à 9 % possèdent une bande interdite directe. De plus, ils sont compatibles avec le silicium, ont une grande mobilité des trous et possèdent un fort couplage spin-orbite. Le développement de dispositifs de communication quantique nécessite d'abord une bonne compréhension des propriétés de base des alliages de GeSn, surtout celles qui dictent le comportement du spin. Les objectifs de ce projet sont : de concevoir un montage de magnéto-PL adapté pour l'infrarouge entre 2 et 2,5 um, ainsi que de mesurer les propriétés optiques des alliages de GeSn. Le montage expérimental pourra être utilisé dans le futur pour déterminer le facteur g et autres propriétés magnétiques des alliages de GeSn.  Ce mémoire présente les concepts physiques (photoluminescence, magnéto-photoluminescence, règles de sélection, mécanismes de relaxation de spin, etc.) nécessaires à la compréhension du projet.  Les propriétés des alliages de GeSn sont également abordées (diagramme à bande, temps de vie des porteurs, temps de relaxation de spin, facteur g, etc.). Une attention particulière est portée aux méthodes utilisées dans la littérature pour réaliser les mesures expérimentales.  ABSTRACT: The carriers spin in semiconductors can be used to set up qubits necessary for the development of quantum processors. These qubits are compact and can be compatible with large-scale manufacturing processes. Group IV semiconductors have several advantages for exploring and controlling spin properties: existence of stable isotopes without nuclear spin (necessary to eliminate hyperfine interactions), compatibility with the fabrication process of the semiconductor industry, etc. However, semiconductors such as silicon and germanium have an indirect band gap which limits the efficacy of their interactions (absorption and emission) with light. This hinders the development of photon-spin interfaces. The latter are critical for the quantum entanglement distribution (from flying qubit to static spin-based processor). GeSn semiconductors (group IV) allow to overcome this problem since alloys with tin content greater than 9 % have a direct band gap. In addition, they are compatible with silicon, have a high hole mobility and possess a strong spin-orbit coupling. To develop this type of quantum device, one must first understand the basic properties of GeSn alloys, especially those that dictate spin behavior. The objectives of this project are to design a magneto-PL setup adapted for the infrared between 2-2.5 um and to measure the optical properties of GeSn alloys. The experimental setup will be used in the future to determine the g factor of GeSn alloys.  This thesis presents the physical concepts (photoluminescence, magneto-photoluminescence, selection rules, spin relaxation mechanisms, etc.) necessary for understanding this project. The properties of GeSn alloys are also discussed (band diagram, carrier lifetime, spin relaxation time, g factor, etc.). Particular attention is paid to the methods used in the literature to carry out the experimental measurements.


identifier: Zouine, C. (2022). Analyse du temps d'inter-livraison des mises à jour dans un réseau de capteurs sans fil avec récolte d'énergie utilisant la modulation adaptative  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans un réseau de capteurs sans fil (RCSF), les ressources énergétiques limitées fournies par les batteries peuvent dégrader sa performance et réduire sa durée de vie. Plusieurs solutions qui visent à diminuer la consommation d'énergie, ont été développées. Cependant, il reste toujours un compromis à faire entre la durée de vie du réseau et la qualité de service offerte. Par conséquent, la récolte d'énergie constitue une technologie prometteuse pour les RCSFs. Elle permet aux noeuds de renouveler leurs ressources énergétiques, à partir d'une source d'énergie ambiante, sans besoin d'intervention pour changer ou recharger les batteries. Toutefois, cette technologie rencontre des défis relatifs au caractère aléatoire de l'arrivée de l'énergie. En effet, vu le caractère aléatoire de cette dernière, il se peut que la communication entre un noeud capteur et le collecteur de données soit suspendue pendant un certain temps. Le but de notre projet est d'explorer l'utilisation de la modulation adaptative pour suivre à l'aspect aléatoire de la récolte d'énergie et des variations du canal sans fil, afin d'assurer la régularité de livraison des données et de garantir que l'information au niveau du collecteur de données soit à jour. Le temps d'inter-livraison est une métrique de délai qui mesure le temps qui sépare deux transmissions successives d'un nœud vers le collecteur de données. Il reflète la régularité des livraisons des données. Dans ce mémoire, on a considéré le problème de minimisation du nombre des événements de violations du temps d'inter-livraison maximal Umax, premièrement pour un système point à point et ensuite pour un système multi-point. Des algorithmes d'ordonnancement ont été développés pour résoudre ce problème. Particulièrement, l'information sur l'état du canal est exploitée afin de déterminer le niveau de modulation adéquat et d'ajuster la puissance de transmission. Les résultats de simulation montrent les bonnes performances des algorithmes proposés. En plus, ils montrent l'amélioration apportée par l'utilisation de la modulation adaptative. Cette dernière s'adapte aux variations du canal ainsi qu'au caractère aléatoire de l'arrivée d'énergie et elle permet d'améliorer l'efficacité énergétique du système et sa performance.  ABSTRACT: The limited energy resources of sensor nodes in WSNs can affect its performance and its lifetime. Many solutions have been proposed to reduce energy consumption of sensor nodes. However, there is always a compromise between the lifetime of the system and its quality of service. Therefore, energy harvesting is a promising solution for WSNs. It allows the node to permanently renew its energy from ambient energy sources, without any need for human intervention. Though, this technology faces some challenges because of the randomness of the energy arrival process. Indeed this randomness can suspend communication between the sensor node and the sink for a while. The aim of this project is to develop an adaptive modulation solution taking into consideration channel and energy harvesting random variations to guarantee a regular data delivery to the sink. Inter-delivery time is a performance metric that measures time between two successive transmissions from a sensor node to the sink. It reflects the regularity of data delivery. In this work, we propose a transmission strategy to minimize the number of violations of the maximum inter-delivery time Umax, for a point to point and a multi-point to point WSN. To solve this problem, we propose scheduling algorithms using adaptive modulation and exploiting the channel state information so as to determine the appropriate modulation level and to adjust the transmit power. Simulation results show the performance of the proposed algorithms and the improvement brought by the adaptive modulation in the energy efficiency and quality of service of the system.


identifier: Lerond, M. (2022). Electrospinning as a Promising Technique for Stretchable Organic Electronics Fabrication  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Nous sommes à l'aube d'une nouvelle révolution technologique ; la commercialisation des premiers appareils électroniques flexibles tels que les smartphones, les écrans et les téléviseurs a débuté il y a seulement 5 ans. Alors que cette nouvelle technologie fera partie de l'électronique grand public dans les prochaines années, l'intérêt pour l'électronique étirable ne cesse de croître. Ces dispositifs sont prometteurs en tant que capteurs corporels, car ils seront moins invasifs pour le patient, mais aussi dans le domaine des écrans, des batteries et de l'internet des objets, pour n'en citer que quelques-uns. La production à grande échelle de tels dispositifs électroniques doit être assurée par une technique de production rentable et rapide. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié la fabrication de deux types de dispositifs électroniques étirables en combinant un polymère conjugué disponible dans le commerce avec une méthode de production bien connue dans l'industrie : l'électrofilage.  ABSTRACT: We are at the dawn of a new technological revolution; the commercialization of the first flexible electronic devices such as smartphones, displays, and TVs started only 5 years ago. While this new technology will be a part of consumer electronics in the next few years, the interest in stretchable electronics is rising. Such devices are promising as body sensors since they will be less invasive for the patient but also in the field of displays, batteries, and the internet of things to name but a few. The large-scale production of such electronic devices needs to be insured by a cost-effective and fast technique. In the scope of this thesis, we investigated the fabrication of two types of stretchable electronic devices by combining a commercially available conjugated polymer with a well-known production method in the industry: electrospinning.


identifier: Abou Antoun, B. (2022). Évaluation de la réponse sismique des structures annexes aux barrages-poids au moyen de la méthode de l'accélérogramme modifié  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'évaluation du comportement sismique des structures annexes aux barrages-poids est d'une grande importance aussi bien dans l'étape de la conception préliminaire que dans les études de leur réhabilitation. Cette évaluation se complexifie lorsque le barrage est en contact avec l'eau. La méthode de l'accélérogramme modifié (MAM) est l'une des méthodes simplifiées développées au fils des années pour prendre en compte l'interaction fluide structure et simplifier la vérification du comportement dynamique des structures annexes aux barrages-poids. Ce mémoire présente une analyse linéaire dynamique d'un système barrage-réservoir soumis à trois séismes de contenu fréquentiel différent, en employant la méthode des éléments finis. Les résultats des analyses sont examinés en termes de spectre de plancher qui est un élément important dans la vérification des structures annexes aux barrages-poids. Dans un premier temps, le réservoir est modélisé par des éléments fluides pour considérer les charges hydrodynamiques générées par l'interaction fluide-structure. L'excitation sismique que le système barrage-réservoir subit est défini par un accélérogramme d'entrée d'origine. Celui-ci est par la suite remplacé par un nouvel accélérogramme d'entrée modifié en utilisant la MAM et appliqué à un barrage seul sans réservoir afin de tenir compte de l'interaction fluide-structure.  ABSTRACT: The evaluation of the seismic behaviour of gravity dam appurtenant structures is of major importance both in the preliminary design stage and in the studies of their rehabilitation. This evaluation is complex especially when considering dam-reservoir interaction. The modified accelerogram method (MAM) is one of the simplified techniques that can be used to account for fluid-structure interaction and simplify the verification of the dynamic behavior of structures attached to gravity dams. This work presents a linear dynamic analysis of a dam-reservoir system subjected to three earthquakes of different frequency contents, using the finite element method. The results of the analyzes are examined in terms of the floor spectrum which is an important element in the verification of the structures annexed to the gravity dams. First, the reservoir is modeled by fluid elements to consider the hydrodynamic loads generated by the fluid-structure interaction. The seismic excitation that the dam-reservoir system undergoes is defined by an original input accelerogram. This is then replaced by a new input accelerogram modified using MAM and applied to a single dam without reservoir to take into account the fluid-structure interaction.


identifier: Safi, C. (2022). Effet du chitosane sur des hydrogels macroporeux d'alginate pour la capture de cellules cancéreuses du glioblastome multiforme  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le glioblastome multiforme (GBM) est un type de cancer du cerveau associé à un taux de survie très faible. En effet, une récurrence de la pathologie dans un rayon de 2 cm autour de l'ablation chirurgicale est extrêmement fréquente. La morphologie invasive et éparse de ce type de tumeur est un limitant aux résections totales. Les traitements complémentaires à la chirurgie sont, quant à eux, soumis à de nombreuses contraintes propres au système nerveux central (SNC) – lui qui comprend le cerveau et le moelle épinière. En effet, la radiosensibilité et la chimiosensibilité des cellules saines par rapport aux cellules malades, ainsi que la barrière hématoencéphalique, sont des contraintes biochimiques et physiques à la radiothérapie et à la chimiothérapie. L'hétérogénéité tumorale, c'est-à-dire la grande diversité de signatures génétiques des cellules cancéreuses dans la lésion, ainsi que le microenvironnement tumoral, qui asservit les agents immunitaires à son avantage, viennent réduire le champ d'impact de l'immunothérapie. D'autre part, les conditions physiologiques particulières amenées par le système nerveux central, notamment les concentrations ioniques et le pH du liquide cérébro-spinal, amènent de grands défis de conception pour les implants thérapeutiques intégrés au cerveau. De surcroît, le module de compression faible de la matière cérébrale oblige l'utilisation de matériaux mous pour de tels implants; et l'adhésion cellulaire à la surface de la matrice amène un défi de formulation chimique supplémentaire.  ABSTRACT: Glioblastoma multiforme (GBM) is a type of brain cancer associated with a very low survival rate. Indeed, a recurrence of the pathology within a radius of 2 cm around the surgical site is extremely frequent. The invasive and sparse morphology of this type of tumor is a limitation to total resections. As for treatments complementary to surgery, they are subject to numerous constraints specific to the central nervous system (CNS) – which comprises of the brain and the spinal cord. Indeed, radiosensitivity and chemosensitivity of healthy cells compared to diseased cells, as well as the blood-brain barrier, are biochemical and physical obstacles to radiotherapy and chemotherapy. Tumor heterogeneity, i.e. the great diversity of genetic signatures of cancer cells in the lesion, as well as the tumor microenvironment, which enslaves immune agents to its advantage, reduce the field of impact of immunotherapy. On the other hand, the physiological conditions brought about by the central nervous system, in particular the ionic concentrations and the pH of the cerebrospinal fluid, bring great design challenges for therapeutic implants integrated into the brain. Furthermore, the low compressive modulus of brain matter requires the use of soft materials for such implants; and cell adhesion to the matrix surface brings an additional chemical formulation challenge.


identifier: Chapdelaine, Q. (2022). On the Fabrication of Novel Solid Immersion Lenses for Super-Resolution THz Imaging  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans ce mémoire, j'explore la fabrication de nouvelles lentilles à immersion solide (SIL) à partir de mélanges de poudre de dioxyde de titane (TiO2) et de polypropylène (PP). Deux stratégies différentes de fabrication de lentilles sont explorées et utilisées pour étudier comment l'augmentation de la concentration de TiO2 permet d'améliorer la résolution d'imagerie du système. La première stratégie de fabrication de lentilles consiste à presser la poudre de TiO2 avec une poudre de polypropylène (PP) à la température Vicat du PP tout en contrôlant la concentration de TiO2 et la porosité de la lentille résultante. La seconde consiste à presser la poudre de TiO2 dans un hémisphère creux imprimé en 3D avec un filament de PP. Les lentilles sont ensuite caractérisées physiquement et optiquement, et leurs indices de réfraction sont comparés aux estimations théoriques utilisant le modèle de Bruggeman des milieux effectifs. Les mesures expérimentales dans la gamme de fréquences THz montrent que la limite de résolution de la lentille SI diminue en effet de manière inversement proportionnelle à son indice de réfraction. De plus, je démontre que plusieurs lentilles battent la limite de diffraction d'Abbe de /2NA et atteignent une résolution aussi basse que 0.2 , ce qui est comparable aux meilleures résolutions rapportées dans la littérature lors de l'utilisation de lentilles à immersion solide en Silicium plus standard et très dispendieuses. La technique de fabrication simple et efficace en termes de coût pour la fabrication de lentilles SIL rapportée dans ce mémoire a un fort potentiel pour la fabrication de composants d'imagerie THz et promet une amélioration des performances des SIL au-delà des solutions en Silicium les plus courantes.  ABSTRACT: In this thesis, I explore the fabrication of novel Solid Immersion lenses (SIL) from the powder mixes of titanium dioxide (TiO2) and Polypropylene (PP). Two different lens fabrication strategies are explored and used to study how the increase in the concentration of TiO2 enables the improvement of the system imaging resolution. The first lens fabrication strategy uses pressing the TiO2 powder with a polypropylene (PP) powder at the Vicat temperature of PP while controlling the concentration of TiO2 and the resultant lens porosity. The second design consists in pressing the TiO2 powder in a hollow hemisphere printed in 3D with a PP filament. Lenses are then characterized physically and optically, and their refractive indices are compared to the theoretical estimates using the Bruggeman model of effective media. Experimental measurements in the THz frequency range show that the SI lens resolution limit indeed reduces inversely proportional to its refractive index. Moreover, I demonstrate that several lenses beat Abbe's diffraction limit of /2NA and reach the resolution of as low as 0.2, which is comparable to the best resolutions reported in the literature when using more standard and very expensive silicon solid immersion lenses. The cost-efficient and simple fabrication technique for SI lens fabrication reported in my thesis hold strong potential for THz imaging component fabrication and promises performance enhancement of SI optics beyond the leading silicon solutions.


identifier: Kafidi, A. (2022). Effets de la bidirectionnalité des accélérations sismiques sur la réponse de site  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le présent mémoire a pour objectif d'étudier l'effet de la bidirectionnalité des accélérations sismiques de l'Est du Canada sur la réponse de site. La grande majorité des logiciels spécialisés et répandus pour les analyses de réponse sismique de site évalue la propagation verticale des ondes de cisaillement pour seulement une composante horizontale d'accélération sismique à la fois. Les réponses de site des deux composantes horizontales sont par la suite combinées afin d'obtenir la résultante des accélérations en surface pour un tremblement de terre donné. Ces analyses découplées ne tiennent pas compte des effets d'un éventuel couplage généré par la propagation verticale des ondes de cisaillement selon les deux directions. Ce mémoire vise à évaluer l'effet de la bidirectionnalité et du couplage des composantes horizontales des séismes, notamment en terme d'amplification sismique. Pour ce faire, une revue de littérature a d'abord été réalisée et a démontré le besoin d'étudier les effets de la bidirectionalité sur les réponses sismiques de site, en particulier à l'Est du Canada. Cette revue a également mis en évidence la rareté des modèles constitutifs susceptibles de tenir compte de ces effets. Plusieurs modèles numériques d'analyse de réponse sismique de site ont été produits en utilisant des logiciels variés (i.e. DEEPSOIL, LS-DYNA, OpenSees et ADINA). Ces modèles ont été utilisés pour vérifier la construction des modèles de profil de sol, l'implémentation de conditions frontières absorbantes à la base et la propagation des ondes sismiques. Ces analyses ont débouché vers le choix d'un modèle constitutif multidirectionnel (I-Soil), implémenté dans LS-DYNA. Ce modèle est une généralisation tridimensionnelle des modèles constitutifs hystérétiques non-linéaires basé sur le principe de la superposition de plusieurs courbes de contraintes versus déformations élastiques parfaitement plastiques. Quatre profils de sol sont soumis à plusieurs séismes de l'Est du Canada afin d'évaluer l'importance des effets de la bidirectionnalité des accélérations sismiques sur la réponse de différents sites. Les résultats des analyses présentent une grande variabilité étant donnée la diversité des sites (densité et Vs du sol et du roc, profondeur du roc, indice de plasticité du sol et niveau de consolidation) et les particularités des séismes utilisées (APR, contenu fréquentiel et durée).» et«  ABSTRACT: This master's thesis aims at studying the effects of bi-directional seismic shaking on site response analysis in Eastern Canada. The majority of common and specialized software are available to evaluate the vertical propagation on shear waves for only one directional component at the time. Both horizontal components are then combined to obtain the resulting free-field acceleration of the earthquake event. These uncoupled analyses do not take in consideration the potential effect generated by the coupling of the shear waves propagating in both directions. This master's thesis aims to evaluate the effects of bi-directional shaking and the coupling of earthquake's horizontal components, especially in terms of seismic site amplification. In order to attain this goal, a stateof- the-art review was made to show the necessity to study the effects of bi-directional shaking on site response analyses, especially in the Eastern Canadian region. This review also shows that constitutive models that can consider the effects of bi-directional shaking are rare. Multiple numerical models for site response analyses were produced by the means of varied softwares (i.e. DEEPSOIL, LS-DYNA, OpenSees and ADINA). These models were used to verify the construction of soil profiles, the implementation of absorbing boundary conditions and the propagation of shear waves. The analyses have concluded in the choice of one multi-directional constitutive model (I-Soil), implemented in LS-DYNA.


identifier: Yousefifeshki, F. (2022). Studying the Practices and Challenges of Developing Hardware Description Language Programs  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec la fin de la loi de Moore et de la mise à l'échelle de Dennard, les architectures à usage général (par exemple, les CPU RISC) deviennent insuffisantes pour répondre à nos besoins croissants en matière de calcul haute performance. Les architectures spécifiques à un domaine (par exemple, le TPU de Google) sont optimisées pour des applications spécifiques et peuvent donc atteindre de meilleures performances. Le développement de telles architectures spécifiques à un domaine nécessite généralement l'écriture de programmes dans des langages de description du matériel (HDL). Par rapport aux langages de programmation polyvalents (GPPL) traditionnels (par exemple, C++, Java, Python), le développement de programmes en HDL (par exemple, VHDL ou Verilog) a actuellement peu de soutien de la communauté de génie logiciel. Un tel déséquilibre dans le soutien aux GPPL et aux HDL entravera les progrès futurs des systèmes informatiques. L'une des raisons de ce déséquilibre semble être la méconnaissance des défis posés par les langages de description du matériel. Afin d'améliorer cette situation, dans ce mémoire, nous faisons une première tentative d'élucidation de ces défis, en étudiant les pratiques et les défis du développement de programmes en HDL, en examinant deux sources de données liées au développement de programmes HDL : 1) les forums techniques où les développeurs posent des questions relatives aux HDL, et 2) les projets open-source où les développeurs écrivent du code HDL. Les développeurs posent généralement des questions techniques et y répondent sur des plateformes tels que les forums Stack Exchange. Ces questions peuvent communiquer les défis rencontrés par ces derniers lors du développement de programmes HDL. Par conséquent, notre première étude identifie et analyse plus de 16 000 questions relatives au HDL provenant de deux forums Stack Exchange : Stack Overflow (SO) et Electrical Engineering (EE). Nous analysons ces questions en combinant une analyse qualitative et une modélisation automatique des sujets, afin de comprendre les défis auxquels sont confrontés les développeurs lors du développement de programmes HDL.  ABSTRACT: Modern computer systems typically consist of two indispensable components: general-purpose hardware (e.g., CPU) and highly-versatile software (e.g., web applications). In this context, Turing award winners John Hennessy and David Patterson, in their recent Turing lecture, declared that computer architectures are at the point of shifting from a general-purpose approach to a domain-specific hardware-software co-design approach. Developing such domain specific architectures typically requires writing programs in Hardware Description Languages (HDLs). This work makes an initial attempt to understand the practices and challenges of developing HDL programs and explore opportunities for the Software Engineering community to support the practices of HDL program development, by examining two sources of data related to HDL program development: 1) technical forums where developers ask HDL-related questions, and 2) open-source projects where developers write HDL code. Developers usually ask and answer technical questions on technical forums such as Stack Exchange forums. These questions may communicate challenges faced by developers when developing HDL programs. Therefore, our first study identifies and analyzes over 16,000 HDL-related questions from two Stack Exchange forums: Stack Overflow (SO) and Electrical Engineering (EE) Stack Exchange. We analyze these HDL-related questions using a combination of qualitative analysis and automated topic modelling, in order to understand the challenges faced by developers when developing HDL programs.


identifier: Azizipour, N. (2022). Appraisal of Surface Treatment to Steady Tumor Spheroid Formation On-Chip  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cancer est l'une des principales causes de décès dans le monde. Malgré les progrès des thérapies anticancéreuses au cours des dernières années, la survie médiane des patients atteints d'un cancer de haut grade est encore très faible en raison du diagnostic tardif, des métastases, de la résistance aux médicaments au traitement standard, etc. L'incapacité à développer de nouveaux candidats médicaments et des thérapies personnalisées pour traiter le cancer et augmenter le taux de survie a plusieurs raisons, mais l'une des principales raisons est la fiabilité des modèles précliniques utilisés dans le pipeline de développement de médicaments et le traitement du cancer pour évaluer les réponses aux médicaments et leurs effets secondaires chez l' humain, ce qui explique en partie pourquoi les candidats médicaments anticancéreux échouent plus qu'ils ne réussissent à obtenir une approbation clinique. Divers modèles in vitro ont été développés pour étudier les traitements contre le cancer.   La culture en monocouches bi-dimensionnelles (2D) utilisant des lignées cellulaires établies sont les méthodes in vitro les plus courantes et traditionnellement utilisées dans la recherche sur le cancer et la découverte de médicaments. Cependant, les modèles 2D manquent du microenvironnement cellulaire natif et in vivo, car les cellules adhèrent à la surface de la culture cellulaire (par exemple, boîtes de Pétri, flacons) et se développent à plat dans une monocouche dans des conditions irréalistes et perdent donc certaines de leurs caractéristiques fonctionnelles naturelles. La manière naturelle dont les tumeurs se développent in vivo est en trois dimensions (3D). Par conséquent, le modèle le plus réaliste utilise des cellules tumorales de patients qui se développent en 3D pour imiter le microenvironnement tumoral complexe et physiologiquement pertinent en raison de la capacité des cellules à former des interactions cellule-cellule et cellule-microenvironnement dans des structures 3D.   Les sphéroïdes sont des agrégats de cellules sphériques auto-assemblées qui sont actuellement les modèles 3D in vitro les plus utilisés dans la recherche préclinique sur le cancer visant à pallier le pouvoir prédictif insuffisant associé aux modèles 2D traditionnels. Les sphéroïdes sont connus pour imiter certaines des caractéristiques tumorales naturelles importantes qui offrent un modèle in vitro plus fiable et sont des prédicteurs plus fiables des réponses thérapeutiques chez l'humain  par rapport aux monocouches 2D. Compte tenu de l'importance cruciale de la prédiction précise des réponses tumorales aux agents thérapeutiques pour développer de nouvelles thérapies anticancéreuses et personnaliser les molécules thérapeutiques existantes, le manque de contrôlabilité de la taille, de la forme et de la densité dans les méthodes de culture sphéroïdales conventionnelles est difficile en réduisant la précision et fiabilité des résultats des tests de dépistage de drogue dans les sphéroïdes.  Au cours des dernières années, les plates-formes des puces microfluidiques ont reçu une attention croissante pour produire des sphéroïdes uniformes dans des conditions plus physiologiques significatives parmi diverses techniques de production de sphéroïdes. La plupart des recherches en microfluidique se concentrent sur la conception de la plateforme, cependant le matériau des puces microfluidiques et ses propriétés de surface (par exemple, la mouillabilité, la chimie, la charge et la rugosité) sont aussi importants que la conception pour influencer l'adsorption des protéines sur la surface et par conséquent réguler l'adhésion cellulaire à la surface qui peut affecter la formation de sphéroïdes sur la puce.  Dans cette thèse, j'ai conçu et fabriqué des puces microfluidiques optimisées pour produire un modèle sphéroïde sur puce uniforme et homogène vers des tests de médicaments in vitro fiables.  Ici, j'ai évalué l'impact de la modification de surface sur la qualité et la quantité de formation de sphéroïdes uniformes sur des puces microfluidiques en PDMS. L'optimisation de surface pour la lignée cellulaire de cancer du sein MDA-MB-231 a été présentée dans l'article 1 du chapitre 4. Dans ce travail, j'ai évalué expérimentalement comment la mouillabilité et la microstructure de la surface peuvent affecter des sphéroïdes de taille et de forme uniformes sur la même conception microfluidique. La surface optimisée peut supprimer efficacement l'adhésion cellulaire à la surface du PDMS et moduler en conséquence le nombre et les caractéristiques des sphéroïdes.  Dans l'article 2 présenté au chapitre 5 par modification du design microfluidique, j'ai évalué l'impact du design avec un traitement de surface optimisé sur la formation de sphéroïdes. Dans ce travail, j'ai pu former avec succès des formes reproductibles, compactes, sphériques et des sphéroïdes de taille uniforme à partir de diverses lignées de cellules cancéreuses et d'un modèle de co-culture de cellules tumorales et de cellules stromales.  Dans l'article 3 présenté au chapitre 6, le modèle sphéroïde sur puce développé sur la conception et la surface optimisées à l'aide de cellules de métastases vertébrales secondaires à des cellules de patients atteints de tumeur pulmonaire, de la lignée cellulaire établie A549 de tumeur pulmonaire et d'un modèle de co-culture de tumeur pulmonaire les cellules A549 et les cellules stromales les ostéoblastes Qth212. Des sphéroïdes homogènes et uniformes se sont formés sur cette plateforme de biopuces. Les résultats reproductibles des tests de dépistage de drogue confirment que ce dispositif microfluidique optimisé a le potentiel de servir d'outil in vitro fiable pour le dépistage de drogue.  En résumé, ce travail met en évidence l'importance de la conception de puces microfluidiques et des propriétés de la surface en tant que deux paramètres cruciaux dans la production de sphéroïdes uniformes et homogènes pour des tests de médicaments reproductibles et répétables pour de nouvelles thérapies anticancéreuses et la médecine personnalisée.  ABSTRACT: Cancer is among the leading causes of death worldwide.  Notwithstanding advancement in cancer therapies over the past years, median survival of patients with high-grade cancer is still very low due to late diagnosis, metastasis, drug resistance to standard treatments, etc. Failure to develop new drug candidates and personalized therapies to treat cancer and enhance patients survival rates has multiple reasons.  However, one of the main reasons is the reliability of pre-clinical models used in drug development pipeline and cancer therapy to assess drug responses and their side effects in humans, which explains in part why anticancer drug candidates fail to carry out clinical approval more than they succeed.   Various in vitro models have been developed to investigate cancer treatments. Two dimensions (2D) models using established cell lines are the most common and traditionally used in vitro methods in cancer research and drug discovery. However, 2D models lack the native and in vivo like cellular microenvironment as cells adhere to the cell culture surface (e.g. petri dishes, flasks) and grow flat in a monolayer under unrealistic conditions and therefore lose some of their natural functional characteristics. The natural manner in which tumors grow in vivo is three-dimensional (3D). Therefore, the most realistic model is using patient tumor cells growing in 3D to mimic the complex and physiologically relevant tumor microenvironment due to the ability of the cells to form cell-cell and cell-microenvironment interactions in 3D structures. Spheroids are spherical self-assembled cells aggregates, which are currently the most widely used 3D in vitro models in pre-clinical cancer researches aiming to overcome the insufficient predictive power associated with traditional 2D models. Spheroids are known for mimicking some of the important natural tumor characteristics, which offer a more reliable in vitro model to predict therapeutic responses in humans compared to 2D monolayers. Considering the crucial importance of accurate prediction of tumor responses to therapeutic agents for developing new anti-cancer therapies and personalize of existing therapeutic molecules, the lack of controllability of the size, shape and dense in conventional spheroid culture methods is challenging by reducing the precision and reliability of drug test results in spheroids.   In recent years, microfluidic biochip platforms have received increasing attention to produce uniform spheroids under more physiologically meaningful conditions among various techniquesto produce spheroids. Most of the researches in microfluidic are focused on the platform's design. However, the biochip materials and its surface properties (e.g. wettability, chemistry, charge, and roughness) are as important as design to influence protein adsorption on the surface and consequently regulate cell adhesion to the surface, which can affect spheroid formation on-chip.   In this dissertation, I have designed and fabricated an optimized microfluidic biochip to produce uniform and homogenous spheroid-on-a-chip models toward reliable in vitro drug testing.   Here, I have evaluated the impact of surface modification on the quality and quantity of uniform spheroid formation on the PDMS microfluidic biochip. Surface optimization for MDA-MB-231 (a breast cancer cell line) has been presented in the article 1 in Chapter 4. In this work, I have experimentally assessed how surface wettability and microstructure can adjust uniformly sized and shaped spheroids on-chip. The optimized surface can effectively suppress cell adhesion to the PDMS surface and accordingly modulate the numbers and characteristics of the spheroids.   In the article 2 presented in Chapter 5 by modification of the microfluidic design, I have assessed the impact of the design with optimized surface treatment on spheroid formation. In this work, I have successfully produced reproducible, compact, spherical forms and uniform-sized spheroids from various cancer cell lines and co-culture models of tumor cells and stromal cells.   In the article 3 presented in Chapter 6 the spheroid-on-a-chip model developed on the optimized design and surface using cells from spine metastasis secondary to lung tumor patient cells, Lung tumor established cell line A549 and co-culture model of lung tumor cells A549 and stromal cells osteoblasts. Homogenous and uniform spheroids formed on this biochip platform. The reproducible drug test results confirm that this optimized microfluidic device has the potential to serve as a reliable in vitro tool for drug screening.  In summary, this work highlights the importance of the design and surface properties of microfluidic biochip platforms as the two crucial parameters in producing uniform and homogenous spheroids for reproducible and repeatable drug tests for novel anti-cancer therapies and personalized medicine.


identifier: Beglarzadeh, B. (2022). Metrology of Machine Tool Compliance under Quasi-Static Condition  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les industries comme l'aérospatiale, l'automobile, etc. exigent une productivité élevée et une grande précision des pièces usinées, ce qui requiert une rigidité élevée des machines-outils. En outre, pour maintenir la machine dans l'état de performance souhaité, il est crucial de surveiller et de compenser la précision des machines. Cette thèse présente de nouveaux modèles, artefacts et méthodologies pour surveiller la précision d'une machine-outil en analysant à la fois sa compliance articulaire et sa compliance volumétrique. La compliance volumétrique de la machine est étudiée en fonction de la position, de l'orientation et de la charge. Le nouveau modèle de compliance des articulations est mis au point et est estimé indirectement à différents niveaux de charge volumétrique radiale et de données de déplacement obtenu au moyen du test de la barre à double bille chargée (LDBB). Une matrice jacobienne numérique du changement de la longueur de la LDBB en fonction des compliances articulaires et des forces appliquées est générée en utilisant le modèle cinématique et de compliance du mécanisme en série. Les simulations et l'étude de la matrice jacobienne numérique indiquent une dépendance entre les compliances des axes X et Y en raison de la nature de l'essai. Il est démontré que les compliances dominantes sont les compliances le long des articulations X et Y soit CXXX et CYYY. Le modèle permet de séparer la contribution de certains groupes de compliance pour guider les réparations et prévoir la déviation dans diverses conditions telles que lors de l'usinage. Étant donné que des erreurs géométriques peuvent aussi influencer les résultats de la LDBB, on introduit le modèle élasto-géométrique qui utilise le principe de superposition pour séparer les effets de la compliance des articulations et des erreurs géométriques sur la position radiale de l'outil par rapport à la pièce. Les paramètres du modèle élasto-géométrique sont ajustés avec les lectures LDBB pour différents niveaux de force en identifiant parmi les erreurs celles qui changent avec la force (effet de compliance) de celles qui ne changent pas (effets géométriques). Il a été démontré qu'au niveaux de force inférieur et supérieur, les erreurs géométriques et de compliance dominent, respectivement. La compliance étant supposée constante dans le premier modèle élaboré, cela peut être la cause du changement apparent des paramètres d'erreur géométrique à différents niveaux de force. Par conséquent, le modèle de compliance a été enrichi par une fonction linéaire de la force appliquée pour traiter toutes les données de niveau de force ensemble, de sorte que la géométrie estimée reste la même à tous les niveaux de force. Un nouvel appareil d'essai, le Ball-Roller Bearing Device (BRBD) est présenté. La rigidité volumétrique de la machine est examinée par ce dispositif. La force et l'engagement sont calculés à partir du courant du servomoteur et des lectures de l'encodeur disponible via la commande numérique de la machine, respectivement, ce qui en réduit le coût et augmente la robustesse. On observe que la rigidité de la machine augmente avec le niveau de force. En résumé, ces travaux contribuent au développement de modèle et de l'appareillage de mesure pour évaluer la précision d'une machine-outil du point de vue de la compliance. Le modèle et le dispositif développés peuvent quantifier la compliance de la machine et déterminer son origine dans la structure de la machine, information utile pour l'auto-étalonnage et l'auto-caractérisation de la machine-outil.  ABSTRACT: Industries such as aerospace, automotive, etc. require high productivity and high accuracy of the machined part, which demand high stiffness of the machine tool. Furthermore, to keep the machine in the desired performance condition, it is crucial to monitor and compensate for the machine's compliance. This research presents modeling, novel artefact, and methodology developed to monitor the accuracy of the machine tool by analyzing both machine axes and volumetric compliance under loaded conditions. The machine's volumetric compliance can be studied as a function of position, orientation, and load. A joint compliance model is developed and indirectly estimated using different levels of volumetric radial load and displacement data obtained via the Loaded Double Ball Bar (LDBB) test. A numerical Jacobian of the change in the LDBB length as a function of the machine joint compliances and the applied forces is generated by using the kinematic and compliance model of the serial mechanism. Simulations and investigation of the numerical Jacobian matrix reveal confounding among the X- and Y-axis compliances due to the nature of the test. It is shown that dominant compliances were the on-axis compliances including


identifier: Mohseni Garakani, M. (2022). An Innovative Bio-Engineered 3D Interface Model for the Study of Cancer Metastasis  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les cancers métastatiques et leurs microenvironnements sont de nature complexe et très hétérogènes, présentent une grande variabilité entre les patients et sont généralement difficiles à traiter avec des agents thérapeutiques en raison de la chimiorésistance. Une telle complexité dans la composante cellulaire du microenvironnement tumoral est intensifiée par les relations entre les cellules cancéreuses métastatiques et les cellules stromales, affectant leur sensibilité/résistance aux médicaments thérapeutiques anticancéreux, et il est compliqué de la récapituler. Les chimiothérapies standards actuelles ne sont pas efficaces pour tous les patients et s'accompagnent généralement d'effets secondaires graves. Ainsi, l'identification de nouvelles thérapeutiques spécifiques au patient est un axe majeur de la recherche sur le cancer métastatique, pour tendre vers l'objectif de thérapies personnalisées et améliorer la qualité de vie des patients. Cependant, y parvenir reste un défi majeur en raison de l'état actuel des plateformes de culture in vitro non physiologiques. Actuellement, les tests de médicaments sont principalement effectués sur des modèles 2D conventionnels qui ne peuvent pas représenter les interactions critiques cellule-cellule et cellule-matrice extracellulaire, qui jouent un rôle essentiel dans la tumorigènes et la progression tumorale. Par conséquent, des modèles 3D in vitro plus complexes et physiologiquement plus pertinents imitant le microenvironnement du cancer humain pourraient considérablement aider au développement de nouvelles chimiothérapies pour des traitements personnalisés. De nombreux modèles de cancer 3D avancés et prometteurs ont été proposés ces dernières années pour simuler l'hétérogénéité tumorale, et ont été appliqués à la découverte et aux tests de médicaments. Néanmoins, peu de ces modèles ont été conçus sur la base de compartiments séparés du stroma et de la tumeur, en particulier ceux avec des caractéristiques mécaniques différentes imitant les interfaces des tissus mous-durs comme dans les microenvironnements tumoraux naturels.  Dans cette recherche doctorale, un nouveau modèle de co-culture in vitro 3D (nommé « PP-3D-S, pour « Plasma Polymerized 3-Dimensional Scaffold ») a été développé pour un tel dépistagechimiothérapeutique personnalisé ; il est personnalisable, reproductible, rentable et convivial, bien plus que les produits commerciaux existants tels que Matrigel®. Il peut représenter un modèle d'interface 3D du microenvironnement tissu-tumeur normal. Le PP-3D-S est généré encombinant (A) un échafaudage de polymère nanofibreux électrofilé traité par décharge électrique (souvent de l'acide polylactique - APL) qui est pré-ensemencé avec des ostéoblastes ou des fibroblastes humains en tant que cellules stromales ; et (B) une surcouche d'hydrogel à base d'alginate/gélatine sur (A) qui est incorporée avec des lignées cellulaires cancéreuses (par exemple du cancer du sein humain) avec une agressivité différente, ou des cellules cancéreuses dérivées du patient (par exemple des cellules métastasées osseuses), pour créer un système 3D physiologiquement réaliste représentant une interface tissulaire stroma-tumeur. Ce modèle est appliqué comme outil d'essai de migration et permet de quantifier la migration et la réponse chimiothérapeutique de différentes cellules cancéreuses immortalisées ou dérivées de patients vers un compartiment stromal.  Le modèle PP-3D-S peut être adapté pour cibler divers types de tissus et de cancers, en modifiant les propriétés biophysiques et mécaniques du polymère, la morphologie de l'échafaudage et la composition de l'hydrogel. Le modèle hybride 3D a été caractérisé pour les types de traitement au plasma optimaux, les matériaux polymères et la morphologie des échafaudages, y compris le diamètre des fibres et la taille des pores. Il a été constaté que les tapis de APL modifiés au plasma, mais aussi le polyuréthane et le polycaprolactone, amélioraient considérablement l'adhésion et la croissance cellulaires initiales par rapport aux témoins non traités. Il a été démontré que les traitements au plasma, y compris la fonctionnalisation au plasma et la polymérisation au plasma à basse pression et à pression atmosphérique, stimulent considérablement l'adhésion, la prolifération, la migration et l'invasion des cellules tumorales. De plus, des différences significatives dans la migration des cellules tumorales entre les échafaudages de petite taille (diamètre des fibres) et de taille moyenne ou grande ont été observées pour tous les tapis traités et non traités. L'impact de deux médicaments chimiothérapeutiques différents, la Doxorubicine (Dox) et le Cisplatine (Cis), sur la migration et l'activité métabolique des cellules cancéreuses des patients et de leurs homologues de lignées cellulaires immortalisées a été évalué. Différents comportements migratoires ont été trouvés, avec des valeurs de CI50 qui étaient pour la plupart conformes aux caractéristiques cellulaires attendue. Dox et Cis se sont révélés capables de réduire les activités métaboliques et de bloquer la migration, mais une efficacité plus élevée (ou une CI50 inférieure) a été observée avec Dox. De plus, dans deux ensembles différents de tests de dépistage de Dox, les performances du PP-3D-Sont été comparées à celles du Matrigel® dans les tests de migration après exposition à différentes doses de Dox, avec des résultats numériques très similaires. Dans l'ensemble, ces données indiquent que PP-3D-S est un modèle de tumeur (migration) 3D efficace, adapté au dépistage de médicaments pour des thérapies personnalisées dans le traitement du cancer métastatique.  Mots-clés : Système de co-culture 3D, Échafaudages nanofibreux, Traitement de surface plasmatique, Modèles tissulaires d'interface, Dépistage de médicaments, Cancer du sein, Métastase osseuse, Médecine personnalisée  ABSTRACT: Metastatic cancers and their microenvironments are complex and highly heterogeneous in nature, show large patient variability, and are usually difficult to treat with therapeutic agents due to chemoresistance. Such complexity in the cellular component of the tumor microenvironment is intensified by the relations between metastatic cancer cells and stromal cells, affecting their sensitivity/resistance to anti-cancer therapeutic drugs, and it is complicated to recapitulate. Current standard chemotherapeutics are not effective for every patient and are typically accompanied with severe side effects; thus, identifying new patient-specific therapeutics is a main focus of research into metastatic cancer, to move towards the goal of personalized therapies and to enhance quality of life for patients. However, achieving this remains a major challenge owing to the current state of non-physiological in vitro culture platforms: Currently, drug testing is mainly performed on conventional 2D models that cannot represent critical cell-cell and cell-extracellular matrix (ECM) interactions, which play essential roles in tumorigenesis and tumor progression. Therefore, more complex, and physiologically more relevant in vitro 3D models mimicking human cancer microenvironment could considerably help in the development of new chemotherapeutics for personalized treatments. Many advanced and promising 3D cancer models have been proposed in recent years to simulate tumor heterogeneity and then been applied in drug discovery and testing. Nevertheless, few of these models have been designed based on separate stroma and tumor compartments, particularly ones with different mechanical characteristics mimicking soft-hard tissues interfaces as in natural tumor microenvironments.   In this PhD research, a novel 3D in vitro co-culture model (named “PP-3D-S”, for “Plasma Polymerized 3-Dimensional Scaffold”) was developed for such personalized chemotherapeutic screening; it is customizable, reproducible, cost-effective, and user-friendly, far more so than existing commercial products such as Matrigel®. It can represent a 3D interface model of normal tissue-tumor microenvironment; PP-3D-S is generated  by combining (A) an electric discharge plasma-treated electrospun nanofibrous polymer (often polylactic acid – PLA) scaffold that is pre-seeded with human osteoblasts or fibroblasts as stromal cells; and (B) an alginate/gelatin-based hydrogel overlayer on (A) that is embedded with either (for example human breast-) cancer cell lines with different aggressivity, or patient-derived (e.g. bone-metastasized) cancer cells, tocreate a physiologically realistic 3D system representing a stroma-tumor tissue interface. This model is applied as a migration assay tool and enables quantifying migration and chemotherapeutic response of different immortalized or patient-derived cancer cells towards a stromal compartment. The PP-3D-S model can be tailored to target various tissue and cancer types, through altering the biophysical and mechanical properties of the polymer, scaffold morphology, and hydrogel composition. The 3D hybrid model was characterized for optimal plasma treatment types, polymer materials, and scaffolds morphology including fiber diameter and pore size. It was found that plasma-modified PLA mats, but also polyurethane (PU) and polycaprolactone (PCL), considerably improved initial cell adhesion and growth compared with non-treated controls. Plasma treatments including plasma functionalization and low- and atmospheric pressure plasma polymerization were shown to greatly stimulate the adhesion, proliferation, migration, and invasion of tumor cells. Moreover, significant differences in tumor cell migration between small-sized (fiber diameter) and either medium- or large-sized scaffolds were observed for all treated and untreated mats. The impact of two different chemotherapeutic drugs, Doxorubicin (Dox) and Cisplatin (Cis), on migration and metabolic activity of patient cancer cells and their immortalised cell line counterparts was assessed. It was found different migratory behaviors, with IC50 values that were mostly in accordance with expected cell characteristics. Both Dox and Cis were found to be able to reduce metabolic activities and to block migration, but higher efficiency (or lower IC50) was observed with Dox. In addition, in two different sets of Dox screening tests, PP-3D-S performance was compared with that of Matrigel® in migration assays after exposure to varying Dox dosages, with very similar numerical outcomes. Taken altogether, these data indicate that PP-3D-S is an effective 3D tumor (migration) model, suitable in drug screening for personalized therapies in metastatic cancer treatment.  Keywords:  3D Co-culture system, Nanofibrous scaffolds, Plasma surface treatment, Interface tissue models, Drug screening, Breast cancer, Bone metastasis, Personalized medicine.