identifier: Escoffres, P.-C.-R. (2017). Effet de l'utilisation d'ajouts cristallins sur le potentiel de cicatrisation de bétons à hautes performances en condition de service  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les infrastructures nord-américaines en béton armé sont exposées à des conditions environnementales très sévères, causant des dégradations précoces en favorisant l'infiltration d'eau, de gaz et d'agents agressifs dans le béton. La pénétration de ces derniers est accélérée par la présence de fissures, puisqu'elles leur offrent un chemin préférentiel d'entrée. L'apparition de fissures au cours du cycle de vie d'une structure résulte de sollicitations d'origines internes (retrait, hydratation et fluage), externes (gradient de température, gradient d'humidité, attaque chimique) et mécaniques (charges mortes et vives).  ABSTRACT: North American reinforced concrete infrastructure is exposed to severe environmental conditions, causing precocious degradation by promoting the infiltration of water, gas and aggressive agents into the concrete. The penetration of the latter is accelerated by the presence of cracks, since they offer them a preferential path of entry. The emergence of cracks during the life cycle of a structure results from internal stresses (shrinkage, hydration and creep), external stresses (temperature gradient, gradient of humidity, chemical attack) and mechanical stresses (dead and live loads).


identifier: Claveau-Mallet, D. (2017). Phosphorus Treatment by Steel Slag Filters Modelling of Removal Mechanisms and Application for Phosphorus Removal from Septic Tank Effluents  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le premier objectif de cette thèse était de proposer un système de traitement du P incluant un filtre à scories intégré à une chaîne de traitement de fosse septique et élément épurateur. L'utilisation d'un filtre à scories en recirculation dans la fosse septique a été étudiée (article #1). Deux modes de recirculation ont été testés. Le meilleur système a été la recirculation du 2e compartiment vers le 1er compartiment à 50% de recirculation, avec 4.2 et 1.9 mg P/L à l'effluent en P total et ortho-phosphates, respectivement. La cible de 1 mg /L à l'effluent n'a pas été atteinte, mais l'ajout du filtre à scories a permis la rétention de 79% du phosphore, comparativement à 29% sans filtre.  ABSTRACT: The first objective of this thesis was to propose a phosphorus treatment system based on a steel slag filter integrated to a septic tank-infiltration bed system. The use of a recirculating steel slag filter was studied in an experimental program (paper #1). Two recirculation modes with various recirculation ratios were tested. The best system was the one with a recirculation from the end to the inlet of the second compartment of a septic tank with a 50% recirculation ratio in the slag filter, achieving 4.2 and 1.9 mg P/L at the effluent for TP and o-PO4, respectively. The 1 mg P/L level goal was not reached, but 79% of phosphorus was kept in the system, compared to 29% without the slag filter.


identifier: Zakeri, B. (2017). Tailoring the Surface Charge of Cellulose Nanocrystals (CNC) Using a Polycation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans ce travail, la surface de nanocristaux de cellulose (CNC) a été modifiée en utilisant un polymère cationique, le polyéthylèneimine (PEI), pour améliorer leur compatibilité avec des milieux non polaires. La modification de surface, réalisée par un procédé simple et sans utiliser de solvants organiques, a été confirmée par différentes techniques analytiques : spectroscopie XPS, spectroscopie FT-IR et mesures de potentiel zêta. Une analyse thermogravimétrique (TGA) a été réalisée pour étudier la stabilité thermique des CNC séchés-modifiés (mCNC). La spectroscopie UV-Vis a également été réalisée pour étudier le taux de sédimentation des mCNC dans l'eau, ainsi que la stabilité du modificateur. Les charges de surface des mCNC ont été modifiées par les polycations, et les mCNC ont précipité dans l'eau ; ils pouvaient cependant être dispersés dans le toluène. On a également montré que les mCNC étaient stables sur une plage de températures adéquate (jusqu'à 200 °C), compatible avec la dispersion en polymère fondu. Être en contact avec un milieu neutre (l'eau et huile minérale) n'a pas affecté l'efficacité du modificateur de surface. De plus, une augmentation significative des propriétés viscoélastiques et du comportement gel est observée pour les suspensions aqueuses de mCNC, attribuée à l'effet électrovisqueux et à la formation d'une structure d'agglomérats du PEI/CNC en suspension aqueuse. Ces résultats indiquent que PEI a un grand potentiel pour être utilisé commercialement comme modificateur de surface des CNC grâce à un processus efficace, à faible coût et respectueux de l'environnement. Au-delà du traitement par PEI, la modification de surface de CNC a été préliminairement examinée utilisant deux grades de chitosanes. Les résultats obtenus ont démontré que le chitosane peut adsorber sur la CNC chargée négativement par interaction électrostatique et modifier ses propriétés de surface. Les CNC séchées-modifiées avec le chitosane (CHI-CNC) précipitent dans l'eau, mais se dispersent dans toluène. Les propriétés viscoélastiques de la suspension aqueuse CNC à une concentration de CNC de 1% massique augmentent de manière significative en ajoutant une faible quantité de chitosane (1% massique par rapport à la charge en CNC). Ceci est attribué à la structure du chitosane et une affinité élevée entre le chitosane et la CNC. En raison des propriétés bénéfiques du mélange CNC-chitosane, une étude plus approfondie de ce biopolymère en tant que modificateur de surface est proposée.  ABSTRACT: In this work, the surface of cellulose nanocrystals (CNC) was modified using a cationic polymer, polyethyleneimine (PEI), to improve their compatibility with non-polar media through a simple process without using any organic solvents. The successful surface modification was confirmed through different analytical techniques: XPS, FT-IR spectroscopy and zeta potential measurements. Thermogravimetric analysis (TGA) was carried out to investigate the thermal stability of dried-modified CNC (mCNC). UV-Vis spectroscopy was also performed to study the precipitation rate of mCNC in water, as well as the stability of the modifier. The surface charge of mCNC was changed through this modification and mCNC precipitated in fresh water; they could however be dispersed in toluene. The mCNC were also shown to be stable in an adequate temperature range (up to 200 °C) for polymer melt processing. Being in contact with a neutral media (water and mineral oil) did not affect the efficiency of the surface modifier. In addition, a significant increase in viscoelastic properties and gel-like behavior were observed for PEI/CNC aqueous suspensions, ascribed to the electroviscous effect and to the formation of an agglomerates structure resulting from the hydrophobic nature of PEI/CNC aqueous suspension. These results indicate that PEI has a great potential to be used commercially as a CNC surface modifier through an efficient, low cost and eco-friendly process. In addition, the surface modification of CNC using two grades of chitosan was preliminary investigated. The obtained results showed that chitosan adsorbs on negatively charged CNC through electrostatic interaction and changes the surface properties of CNC. Dried-modified CNC with both chitosan grades (CHI-CNC) sedimented in water, however CHI-CNC dispersed in toluene. The viscoelastic properties of CNC aqueous suspension at CNC concentration of 1 wt.% significantly increased when adding a low amount of chitosan (1% wt.% respect to CNC) due to chitosan structure and high affinity between chitosan and CNC. Thanks to the beneficial properties of CNC and chitosan, the use of this biopolymer as a surface modifier of CNC is proposed for further investigation.


identifier: Labbé, A. (2017). Amélioration de la gestion des vaccins du programme d'immunisation québécois par la simulation à base d'agents  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le Ministère de la Santé et des Services Sociaux orchestre tous les ans le Programme Québécois d'Immunisation avec un budget de plus en plus restreint. De plus, l'ouverture à l'international du marché des vaccins malgré une capacité limitée de production rend les négociations plus difficiles auprès des laboratoires pharmaceutiques. En raison de cette concordance de circonstances, chaque dose compte. Pourtant, la réalité est différente : en effet, malgré le déploiement d'un système d'information qui a permis d'améliorer la situation, la chaîne d'approvisionnement québécoise des vaccins peut encore être optimisée, notamment en ce qui concerne la gestion de la péremption des doses. Les chaînes d'approvisionnement de vaccins ont déjà fait l'objet de travaux scientifiques mais seule une petite partie utilise la simulation à base d'agents. Ces travaux se concentrent principalement sur la conception et l'utilisation de modèles d'optimisation qui ne trouvent pas leur place dans notre système d'étude. En effet, les outils d'optimisation rencontrés dans la littérature scientifique ne permettent pas d'appréhender la dynamique du système et son fonctionnement au jour le jour. C'est pourtant sur ce point, l'amélioration de la gestion quotidienne de la chaîne d'approvisionnement, que nous nous concentrons. Il est alors apparu nécessaire de rechercher d'autres outils plus adaptés à l'étude de tendances et d'organisations alternatives au fonctionnement actuel. La simulation permet justement ce genre de travaux. Certains articles ont déjà présenté la simulation et la façon dont elle est utile pour modéliser des chaîne d'approvisionnement. Le cadre plus précis des chaînes d'approvisionnement de vaccins a aussi été étudié. Cependant, les hypothèses faites dans ces travaux ne sont pas assez génériques pour être intégrées à notre modèle. C'est la raison pour laquelle il a fallu en construire un ex-nihilo à partir des observations faites sur le système réel. Ce modèle permet ensuite de tester différentes approches logistiques telles que l'implémentation de prévisions et de meilleures politiques de gestion des stocks. Les résultats montrent l'intérêt d'appliquer rigoureusement des politiques de Premier à Expirer Premier Sorti (PEPS) dans la gestion des frigos. Cela permet de toujours administrer la dose la plus proche de sa date de péremption. D'un autre côté, les méthodes de prévision de la demande basées sur la comparaison de l'année en cours avec les données des années passées montrent des résultats prometteurs. En effet, les règles appliquées bien que basiques permettent d'améliorer la situation. La continuité de nos travaux serait justement d'élaborer des politiques de prévision de la demande plus complexes s'adaptant mieux au caractère fluctuant de la demande. De nouveaux paramètres pourraient être pris en compte tels que l'impact des médias sur l'opinion publique ou l'évolution des épidémies. Cela nécessiterait alors de modéliser les patients comme des agents à part entière. De plus, si notre travail s'est focalisé sur des points particuliers, d'autres points de la chaîne d'approvisionnement pourraient être améliorés, tels que la détermination de la commande annuelle et la coopération avec les fournisseurs.  ABSTRACT: Every year, Ministry of Health of Quebec has to manage the immunization program with a more and more tightened budget from on year to another. In addition, it becomes harder to negotiate for doses with pharmaceutical companies as these formers are now facing a growing international demand with a limited capacity production. This is the reason why every dose counts in this Immunization program. But the reality is different: indeed, even if the deployment of an information system has improved the situation, the supply chain can still be optimized. Vaccine supply chain has been under study in many articles but only a few of them study the dynamic of the system using agent based simulation: they focus on optimization functions that are not adaptable in our context. Indeed, these papers don't enable to embrace the daily dynamic of the system while this is exactly what we want to address to improve the organisation. New tools were needed to study the current organisation and new alternative ways of functioning. Simulation has been used to that exact purpose by other researchers. Moreover, the study of vaccine supply chain by simulation has already been the topic of various papers. Despite this fact and taking into account the unicity of each supply chain, many hypotheses couldn't be reused for our work. This is the reason why we had to build a simulation model describing the specificities of the Quebecois immunization program from scratch. Then, different logistic approaches are studied using forecast and better stock management policies. Results highlight the benefit to respect strict FEFO (First To Expire First Out) policies as it enables to always administer the oldest dose. On the other hand, forecasting the demand based on the comparison of the previous and the current year show encouraging results. Although the used formulas are basic, they help to reduce the number of untreated patients and perished vaccines. To go further, researches should focus on elaborating more complex forecasting models to deal better with the variation of the demand. It could be based on new parameters such as the media coverage or the propagation of an epidemic. To do so would require to model the patients as agents. Moreover, our work focuses on certain aspects but others may be considered as well: for example, the determination of the annual quantity and the coordination between pharmaceutical companies and Ministry of Health.


identifier: Thibault, M.-O. (2017). Types de mobilité associés aux points de jonction : cas des enquêtes origine-destination de la grande région de Montréal  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans la Grande région de Montréal, l'utilisation de la voiture privée combinée au transport collectif lors d'un même déplacement représente l'un des comportements de mobilité ayant connu la plus importante progression dans les dernières années. En effet, grâce aux données des trois dernières enquêtes origine-destination (2003, 2008 et 2013), il est possible d'observer que le nombre de déplacements de ce type a augmenté de 58%, passant de 38 800 déplacements en 2003 à 61 200 déplacements en 2013, lors de la période de pointe du matin. Cette progression s'accompagne de défis, non seulement sur le plan de la compréhension de ce comportement de mobilité, mais également en ce qui concerne la manière de le mesurer adéquatement. L'objectif de ce projet de recherche est donc de mieux comprendre les éléments caractérisant l'usage de l'intermodalité entre la voiture privée et le transport collectif pour la Grande région de Montréal en portant une attention particulière sur son traitement par les enquêtes origine-destination.  ABSTRACT: In the Greater Montreal, the use of a private car combined with public transport as part of same trip is the mobility behavior having experienced the greatest increase during the recent years. In fact, thanks to the data of the Origin-Destination Survey of the last three years (2003, 2008 and 2013), it is possible to notice that the number of trips of this kind, in the morning peak, has increased by 58%, passing from 38 000 trips in 2003 to 61 200 trips in 2013. This progression is accompanied by many challenges, such as the understanding of this mobility behavior as well as the way of measuring it adequately. The objective of this research project is to understand more clearly the elements characterizing the use of intermodal transport between the private car and the public transport in the Greater Montreal with an emphasis on its treatment by the Origin-Destination Survey.


identifier: Zhu, W. (2017). Reader Design for Chipless Millimeter-Wave Identification (MMID)TAG  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'identification par radiofréquence (RFID) est une technologie d'identification qui a de nombreuses applications utiles telles que le suivi des marchandises et les contrôles d'accès. RFID est une technique de transmission et réception à courte distance « sans-contact » pour envoyer des données ID à un lecteur à partir d'un objet marqué. Un système RFID se compose d'une étiquette de support de données, un lecteur, un middleware et une application d'entreprise. Tout d'abord, le signal transmis est généré par le lecteur, après une certaine distance de transmission dans l'espace libre, l'étiquette reçoit le signal détecté et après le traitement de signal ou codage du signal sur l'étiquette, le signal codé est renvoyé au lecteur. La réception et le traitement du signal seront finalement faits au récepteur. Cependant, la technologie RFID est entravée en raison de son prix élevé. Les étiquettes RFID sans puce résolvent le problème de coût et ont le potentiel de pénétrer aux marchés en grand public pour l'étiquetage de l'article à faible coût. Pour les étiquettes sans puce il n'y a pas de traitement de signal. Le traitement du signal se fait uniquement au niveau du lecteur. Ainsi, un lecteur qui est utilisé pour communiquer avec l'étiquette est également important dans un système de communication. Le domaine de fréquence ou la signature spectrale en fonction des étiquettes sans puce est un type d'étiquette sans puce. D'autre part, l'émetteur et le récepteur se composent d'un lecteur. Basé sur le principe de fonctionnement des étiquettes sans puce dans le domaine de fréquence, un lecteur comprend un émetteur et un récepteur utilisés pour communiquer avec une étiquette de fréquence et est présenté dans cette thèse. Tout d'abord, le principe de fonctionnement détaillé du système MMID sans puce, dans le domaine fréquentiel est introduit. D'autre part, sur la base du principe de fonctionnement, les spécifications de la conception du lecteur sont proposées. Plusieurs topologies différentes de la conception du lecteur seront comparées et la meilleure topologie sera sélectionnée pour la conception du lecteur. En second lieu, sur la base des spécifications du système de lecture et de la topologie sélectionnée, les résultats de simulation de la structure sélectionnée de lecteur sont présentés. Après les simulations, la conception du chaque composant est montré. Dans cette conception de système des circuits, tous les circuits passifs sont conçus et simulés dans HFSS et mesurés sur VNA. Tous les circuits actifs sont des puces commerciale de différentes compagnies. Les résultats des simulations et mesures de chaque circuit passif sont affichés.  ABSTRACT: Radiofrequency identification (RFID) technology is an identification technology that has many useful applications such as tracking goods and access controls. RFID is a touchless, short distance transmission and reception technique for ID data that is sent from a labeled object to a reader. A data-carrying tag, a reader, middleware and an enterprise application would make up a RFID system. Firstly, the transmitted signal is generated by the reader, the tag receiver, after a certain distance of transmission in free space, a detected signal and after processing signal or encoding signal on the tag, the encoded signal is then sent back to the reader. Signal receiving and processing part will be finally processed in the receiver. However, the RFID technology is hindered because of its high price tag. Chipless RFID tags solve the cost issues and have the potential to penetrate into mass markets for low-cost item tagging. For chipless tags, there is no signal processing in tags, the signal processing is done only in the reader. So a reader, which is used to communicate with the tag, is also important in a communication system. Frequency domain or spectral signature-based chipless tags are some kinds of chipless tag. On the other hand, transmitter and receiver are the core parts of a reader, based on the working principle of frequency domain chipless tags, a reader that includes a transmitter and a receiver used to communicate with frequency tag is presented in this dissertation. First of all, the detailed working principle of a chipless MMID system in the frequency domain is introduced. Based on the working principle, the specifications of the reader design are proposed. Several different topologies of the reader design will be compared and the best topology will be selected for our reader design. Secondly, based on the specifications of the reader system and the selected topology, the simulation results of the selected structure of the reader are presented. After the simulations, the design of each component is shown. In this system design, all the passive circuits are designed and simulated in HFSS and tested on VNA. All the active circuits are commercial chips from different companies. Simulation and measurement results for each passive circuit are given. Finally, the whole circuits including designed passive circuits and active circuits are integrated into a system board to create a reader system. There are two system boards finally fabricated, one transmitter board and one completed reader board. The transmitter board is tested firstly. Upon achieving good results of the transmitter board, the whole transceiver board is tested finally.


identifier: Laflaquiere, B. (2017). Mise en évidence de biomarqueurs des cellules souches de la gelée de Wharton par modélisation dynamique des flux métaboliques : l'impact du vieillissement cellulaire  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le système immunitaire, garant de la santé d'un organisme, est composé d'un ensemble de cellules aux fonctions diverses qui régulent et participent à la réponse immunitaire. Il est maintenant bien connu, grâce aux diverses études sur les cellules cancéreuses, que certains mécanismes cellulaires sont programmés pour inhiber la réponse immunitaire, un phénomène appelé immunosuppression. Le contrôle de ce phénomène d'immunosuppression pourrait donc conduire à des progrès importants pour le traitement de diverses maladies et pathologies en plus du cancer, par exemple en empêchant les rejets de greffes ou en limitant l'impact des maladies auto-immunes. La thérapie cellulaire, avec l'injection de cellules ayant des propriétés immunosuppressives, semble donc une approche thérapeutique hautement prometteuse. En effet, certaines cellules souches ont montré une grande capacité à acquérir des propriétés immunosuppressives dans des conditions de culture spécifiques. Parmi elles, les cellules souches mésenchymateuses de la gelée de Wharton (WJMSC) ont également la qualité d'être récupérables d'une manière non invasive à partir du cordon ombilical. Cependant, la caractérisation des propriétés immunosuppressives des cellules ne peut être effectuée que par des manipulations coûteuses et longues, et le maintien de ces propriétés après injection reste aléatoire. Puisque le temps joue contre la construction de thérapies cellulaire robustes, il est nécessaire de mettre en place de nouveaux outils permettant de caractériser rapidement le caractère immunosuppressif des cellules et de mieux contrôler (par exemple, maintenir) le phénotype d'intérêt des cellules post-injection. Parmi les plates-formes omics récentes, l'étude du métabolisme cellulaire semble appropriée pour caractériser les propriétés immunosuppressives des cellules WJMSC et devrait mettre en évidence de nouveaux biomarqueurs de l'évolution du phénotype des WJMSC. En effet, le métabolome cellulaire est à l'interface entre le génome et le protéome, tous deux, déterminant le phénotype cellulaire. Compte tenu de la complexité du métabolisme, il est nécessaire de mettre en oeuvre des techniques informatiques pour l'analyse rapide des dynamiques des réactions enzymatiques intracellulaires du réseau.  Pour répondre à la nécessité d'une meilleure caractérisation du phénotype des WJMSC, l'objectif de cette étude est d'identifier les biomarqueurs du caractère immunosuppressif des cellules souches de la gelée de Wharton. Ainsi, étant donné que les WJMSC perdent leurs propriétés immunosuppressives avec le nombre de passage cellulaire, une comparaison des cellules à nombre de passages faible et élevé a été effectuée. Cependant, le biais potentiel associé à la sénescence avancée des cellules à haut passage se devait d'être d'abord envisagé. Le présent travail met donc l'accent sur la comparaison des WJMSC à faible et à haut passage, non immunosuppressives, en développant deux modèles cinétiques permettant de simuler le métabolisme des cellules aux différents âges. La structure du réseau métabolique étudié est basée sur un travail de modélisation antérieur, effectué sur des cellules de mammifères, qui a été complété par l'ajout de voies métaboliques spécifiquement impliquées dans le phénomène d'immunosuppression. Par conséquent, l'analyse des cultures des WJMSC à passages faible (4 passages) et élevé (9 passages), a conduit à un premier modèle cinétique décrivant le comportement moyen des cellules. Par la suite, les paramètres sensibles de ce modèle ont été mis en évidence par analyse de leur impact sur l'erreur de simulation globale du modèle. Enfin, en modifiant ces paramètres sensibles uniquement, deux modèles ont été développés décrivant distinctement le métabolisme des cellules de passage faible et élevé. La comparaison des deux modèles a fourni des informations précieuses sur les flux de réaction et les comportements des concentrations de métabolites, ce qui a permis d'identifier des biomarqueurs distincts.  Nous montrons ainsi clairement que le nombre de passages cellulaires conduit à une croissance cellulaire plus lente ainsi qu'à une demande énergétique accrue des cellules. En atteignant un nombre de passage élevé, les cellules réorientent principalement leur flux glycolytique vers le cycle TCA et produisent moins de lactate, ont un taux de renouvellement d'ATP plus élevé et produisent leur ATP principalement par phosphorylation oxydante (c'est-à-dire par respiration cellulaire) au lieu de la glycolyse. Au contraire, les cellules à faible passage utilisent principalement la glycolyse pour répondre à leurs besoins énergétiques, ont un cycle de l'urée plus actif et présentent une plus grande consommation de tryptophane, ce qui suggère que les cellules à faible passage non immunosuppressives expriment encore certaines de leurs propriétés originales immunosuppressives. Par conséquent, à partir du développement d'un modèle cinétique, nous avons été capables d'identifier des biomarqueurs de l'effet du passage cellulaire pour les cellules souches de la gelée de Wharton. Ces nouvelles connaissances pourront être utiles pour les futures études sur les WJMSC, afin d'identifier spécifiquement des biomarqueurs du caractère immunosuppressif des cellules, tout en prenant en compte l'effet du passage cellulaire conduisant à la sénescence des cellules. Ce travail pourra également être utile pour étudier d'autres types de cellules souches.  ABSTRACT: The immune system, which guarantees the health of an organism, is composed of a set of cells with various functions that participate and regulate the immune response. It is now also well known, from various studies on cancer cells, that some specific cellular mechanisms are programmed to inhibit the immune response, a phenomenon called immunosuppression. The control of the immunosuppression phenomenon could thus lead to major advances for treating various diseases and pathologies in addition to cancer, for instance, by preventing grafts versus host diseases or by limiting the impact of autoimmune diseases. Cell therapy, with the injection of cells having immunosuppressive properties, thus seems a highly promising therapeutic approach. Indeed, some stem cells have showed a high capacity of acquiring immunosuppressive properties under specific culture conditions. Among stem cells with these properties, Wharton's jelly mesenchymal stem cells (WJMSC) also have the quality of being recoverable from the umbilical cord in a non-invasive manner. However, the characterization of the immunosuppressive properties of the cells can only be carried out performing costly and time-consuming manipulations, and the maintain of these stem cells properties after injections remains hazardous. Since time plays against building robust cell injection therapies, it is therefore necessary to set up new tools allowing to rapidly characterize cells immunosuppressive character and to better control (e.g. maintain) the phenotype of interest of post-injection cells. Among recent omics platforms, the study of cell metabolism seemed appropriate to characterize WJMSC cells immunosuppressive traits, and expected to bring new candidate biomarkers of WJMSC phenotype evolution. Indeed, the cell metabolome is at the interface between the genome and the proteome, both determining cell phenotype. Given the complexity of the metabolism, it was necessary to implement computer techniques for the rapid analysis of intracellular enzymatic reactions network dymamics.  To address this issue of better characterizing WJMSCs phenotype, the objective of this study was to identify biomarkers of immunosuppressive characters of Wharton's jelly stem cells. Thus, since WJMSCs lose their immunosuppressive properties with the cell passage number, a comparison of low and high passages number cells was performed. However, the potential bias associated with advanced senescence of high passage cells has to be considered first. The present work therefore focus comparing low and high passage WJMSC, both non-immunosuppressive, developing a kinetic model to simulate both cells age metabolism. The structure of the metabolic network studied was based on previous modeling work carried out on mammalian cells and supplemented by the addition of metabolic pathways specifically involved in the immunosuppression phenomenon. Therefore, analysing WJMSC cultures at different passages, at low (4 passages) and high (9 passages), a first kinetic model was developed, describing the average behavior of the cells. Then the sensitive parameters of this model were highlighted analysing the global simulation error of the model. Finally, by modifying these sensitive parameters only, two models have been developed describing distinctively cells metabolism of low and high passage. Comparing the two models provided valuable information on reaction fluxes and metabolites concentrations behaviours, and thus allowed identifying distinct biomarkers.  We thus here clearly show that the number of cell passages leads to a slower cell growth as well as a higher cell energetic demand. Reaching high passage number, cells mainly redirect a glycolytic flow towards the TCA cycle and produce less lactate, have a higher ATP turnover rate and produce their ATP mostly via oxidative phosphorylation (i.e. cellular respiration) instead of glycolysis. On the contrary, low passage cells mainly use glycolysis to meet their energy needs, have a more active urea cycle and show a greater consumption of tryptophan, both phenomena which suggest that non-immunosuppressive low passage cells still express some of their immunosuppressive original properties. Therefore, from the development of a kinetic model, we have been able to identify biomarkers of the passage effect for Wharton's jelly stem cells. This new knowledge can be useful in future studies on WJMSCs, to specifically identify biomarkers of the cells immunosuppressive character while accounting for the passage effect which leads to cell senescence. The work can also be useful to studying other stem cells.


identifier: Demeester, K. (2017). Méthodes numériques appliquées à la programmation dynamique stochastique pour la gestion d'un système hydroélectrique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La Programmation Dynamique Stochastique (PDS) est une méthode couramment utilisée pour la gestion de petits systèmes hydroélectriques. La PDS décompose le problème principal en une succession de petits problèmes non linéaires à résoudre. Néanmoins, son utilisation peut être problématique dans un contexte opérationnel en raison du temps de calcul important requis pour résoudre tous ces sous-problèmes. L'objectif du projet de recherche consiste donc à améliorer sa vitesse d'exécution en proposant une nouvelle méthode de résolution des sous-problèmes générés par la PDS. Cette approche combine deux méthodes d'optimisation non linéaire, soit une méthode de Programmation Linéaire Séquentielle (PLS) pour la phase de récursion de la PDS et une méthode de points intérieurs pour la simulation. La méthode proposée sera comparée à trois grandes familles de méthodes d'optimisation non linéaires avec contraintes : les méthodes du lagrangien augmenté, les méthodes séquentielles et les méthodes de points intérieurs. Pour évaluer convenablement l'efficacité de chacune de ces méthodes, les logiciels d'optimisation les plus établis sont utilisés dans cette analyse. Par contre, presque aucune implémentation de la méthode de la PLS n'a été trouvée dans la littérature. Une partie de ce travail sera consacrée à l'implémentation de cet algorithme. Les résultats numériques sont obtenus par l'application de la PDS sur le système hydroélectrique du Saguenay-Lac-Saint-Jean, opéré par la compagnie Rio Tinto. Étant donné la tendance linéaire des fonctions de production sur une majeure partie de leur domaine, il est possible d'approcher efficacement ces dernières par une approximation linéaire par morceaux. Ainsi, une approche hybride combinant la PLS et le logiciel IPOPT s'avère une solution efficace autant pour le temps de calcul que la qualité de la solution.  ABSTRACT: Stochastic Dynamic Programming (SDP) is a common approach used for hydropower systems management. SDP decomposes the main problem by a sequence of small nonlinear subproblems. Nevertheless, its application can be difficult in an operational context because of the excessive computation time required to solve all its subproblems. The objective of this study consists of increasing SDP speed by introducing a new methodology to solve these subproblems. This approach combines two nonlinear methods, the Sequential Linear Programming (SLP) is used for the computation of policy and an interior points method for the simulation. The method proposed will be evaluated to the main nonlinear constraints methods: augmented Lagrangian, sequential methods, and interior points methods. To adequately compare their efficiency, state-of-the-art solvers are used in the analysis. Few established implémentations of SLP algorithm have been found in the literature. Thus, a part of this work will be an implementation of this method. Numerical results are obtained by SDP application on the Saguenay-Lac-Saint-Jean hydropower system, operated by the company Rio Tinto. Considering that hydropower functions exhibit a linear behavior over large portions of the domain, it is possible to accurately approximate the function by a piecewise linear approximation. In that case, an hybrid approach combining SLP and the software IPOPT is proved to be efficient to reduce the computation time with no lack of quality solution.


identifier: Pea, R. (2017). Reconstruction simplifiée du tronc pour le traitement de la scoliose idiopathique par corset  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale, de la cage thoracique et du bassin qui apparaît lors de la croissance. Des déformations de la colonne vertébrale avec des courbes de 10° ou plus nécessitant un suivi ou un traitement affectent 0,23 % de la population. L'incidence est plus élevée chez les filles. Pour les patients en croissance avec des courbes entre 25° et 45°, le traitement prescrit habituellement est le corset orthopédique. En Amérique du Nord, le type le plus utilisé est le corset de Boston. Autrefois fabriqué avec des moules de plâtre, la production du corset a fortement été améliorée par l'ajout de technologies permettant la conception et fabrication assistées par ordinateur (CFAO). Ces nouvelles techniques de production incluent entre autres l'acquisition numérique de la forme externe du tronc du patient par topographie de surface et la modification de celle-ci à l'aide de logiciels de CFAO destinés à la fabrication d'orthèses. La conception des corsets repose par contre sur des processus empiriques et, de manière générale, les spécialistes n'arrivent pas à un consensus sur le design optimal. Afin d'améliorer l'efficacité du corset par la vérification de son effet immédiat avant que celui-ci ne soit fabriqué et porté par le patient, un outil de simulation exploitant une méthode de simulation par éléments finis des corrections du corset sur le tronc du patient a été développé. Plusieurs travaux de recherche utilisant cet outil de simulation ont été réalisés par le groupe du CHU Sainte-Justine et de l'École Polytechnique. Les résultats d'une étude clinique ont montré que la méthode de simulation du corset prédisait avec une précision de 5° d'angle de Cobb les corrections obtenues avec les corsets fabriqués par CFAO portés par les patients. Récemment, une étude par essai randomisé contrôlé a montré que l'ajout des simulations numériques par éléments finis du corset au processus de conception et fabrication assistées par ordinateur permettait d'obtenir des corsets plus légers et offrant une meilleure correction. L'outil de simulation requiert une reconstruction personnalisée du tronc du patient dont la modélisation des structures osseuses internes est obtenue minimalement à partir de radiographies coronale et latérale calibrées du patient. Cependant, plusieurs centres n'effectuent pas de calibrage des radiographies ou n'effectuent pas de radiographie latérale, ce qui limite l'utilisation de l'outil de simulation.  ABSTRACT: Adolescent idiopathic scoliosis (SIA) is a three-dimensional deformity of the spine, rib cage and pelvis occurring during growth. 0.23% of the population, mostly girls, is affected by progressing spinal curves of 10° or more. For growing patients with curves between 25° and 45 °, orthopedic brace is the treatment usually prescribed. In North America, the most common type is the Boston brace. Formerly made from plaster molds, the braces' production efficiency has been greatly improved by adding computer-aided design and manufacturing (CAD / CAM) technologies. These new production techniques include the numerical acquisition of the external shape of the patient's trunk and the modification of the latter with a CAD / CAM software for orthosis production. However, braces' design is the result of an empirical process and, in general, experts do not reach a consensus on the optimal design. In order to improve the effectiveness of the brace by testing its immediate effect before being manufactured and worn by the patient, a simulation tool using a finite element simulation method of the installation of the brace on a personalized patient's trunk model was developed. Several research studies using this simulation tool were done by the CHU Sainte-Justine and Polytechnique group. Results of a clinical study showed that the brace simulation method predicted corrections obtained with the brace made by CAD/CAM and worn by the patient within 5° Cobb angle accuracy. Recently, a randomized controlled trial study demonstrated that adding finite element numerical simulations to computer-aided design and fabrication process provided lighter braces and achieved better correction by the brace. The simulation tool requires a personalized reconstruction of the patient's trunk which the internal bone structures' modeling is obtained minimally from a coronal and a lateral calibrated X-rays of the patient. However, several healthcare centers do not calibrate the radiographs or do not perform lateral X-rays, which limits the use of the simulation tool. To undertake this need, the aim of this Master's project was to develop a simplified 3D reconstruction method of the patient's trunk with only a postero-anterior radiograph and a trunk surface scan. Clinical measurements differences were obtained before and after simulation of the installation of the brace on the finite elements model reconstructed with the simplified method and obtained with the reference method which included a lateral X-ray.


identifier: Liegeard, C. (2017). Impact du transport des photons sur la distribution fine de puissance d'un réacteur à eau sous pression  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le calcul de la structure fine de puissance est un élément clé de la physique des réacteurs et de nombreux paramètres entrent en compte pour effectuer ce calcul. Actuellement, les neutrons sont les seules particules prises en compte pour les dépôts d'énergie dans les codes déterministes. En réalité, des photons gammas sont émis lors des interactions des neutrons avec la matière. Dans le cadre d'une augmentation de la puissance de calcul des unités informatiques, il est intéressant d'ajouter dans les schémas de calcul déterministes le transport des gammas. Dans ce mémoire, nous validons 3 nouveaux schémas déterministes neutron-gamma dans APOLLO-2 qui réutilisent les schémas de transport de neutrons SHEM-MOC et REL-2005 qui ont déjà été validés par EDF et le CEA. Par ailleurs, parmi les schémas neutron-gamma, nous avons créé un schéma de référence, un schéma optimisé et un schéma intermédiaire. Grâce à ces schémas, nous sommes capables de déterminer l'impact du transport des gammas sur la puissance déposée pour 3 assemblages différents (UOX, MOX et UOX-Gd) en évolution. Pour la plupart des cellules de combustible, la puissance déposée par les gammas peut atteindre 10%. En outre, le fait de transporter les gammas apporte des écarts de l'ordre de 1% de puissance déposée dans ces mêmes cellules de combustible. Les cellules contenant du gadolinium (poison neutronique) émettent beaucoup de gammas et perdent jusqu'à 30% de puissance déposée après transport des gammas. Globalement, le transport des gammas a tendance à lisser la structure fine de puissance que ce soit pour des clusters ou des assemblages. Pour les calculs de coeur, nous avons utilisé le code COCAGNE. Pour traiter l'effet des gammas dans ce code, nous avons décidé de corriger les paramètres liés à la puissance déposée dans les DKLIB qui sont les bibliothèques multi-paramètres créées avec APOLLO-2 et utilisées par COCAGNE. Cette façon de procéder ne nous permet pas de transporter directement les photons gammas dans COCAGNE et les écarts observés liés aux gammas sont exactement les écarts présents dans la DKLIB. Néanmoins, nous avons pu obtenir des résultats exacts grâce au code TRIPOLI-4 utilisant la méthode de Monte-Carlo. Dans ce mémoire, les résultats pour le benchmark KAIST-1A sont présentés et analysés. Sur un coeur complet, le transport des gammas semble également lisser la structure fine de puissance.  ABSTRACT: Deposited power calculations are a critical part of reactor physics. Many parameters have to be taken into account to perform these calculations and presently, neutrons are the only particles transported in eterministic codes. However, gamma photons are also emitted during the interactions of neutrons with matter. Since the required computing power is now available to perform such calculations, it is now possible to add gamma transport in the present deterministic calculation schemes. In this thesis, three new deterministic neutron-gamma schemes are validated with APOLLO-2. These reuse the neutron schemes already validated by EDF and CEA, namely, the SHEMMOC scheme and the REL-2005 scheme. Among the three neutron-gamma schemes are a reference one, an optimized one and an intermediate one. With the neutron-gamma schemes we are able to calculate the gamma transport impact on the pin-by-pin deposited power for three different evolving assemblies (UOX, MOX and UOX-Gd). For most of the fuel cells, the gamma deposited power can reach 10% of the total deposited power. Moreover, transporting gamma photons causes differences of around 1% on the deposited power in these fuel cells. Cells containing gadolinium (a neutron absorber) emit a lot more gamma photons and therefore, the deposited power in those cells can decrease by 30% after gamma transport. Globally, gamma transport smoothes down the power map of assemblies or clusters. To perform core calculations, the 3-D code COCAGNE is used in this thesis. As it is currently impossible to directly transport gamma photons in this code, we decided to correct the normalized power maps in the DKLIB. The DKLIB are data librabries created with APOLLO-2 and used by COCAGNE. In this way, the differences brought about by gamma photons in COCAGNE are directly the differences calculated in APOLLO-2 and saved in the DKLIB. Nonetheless, the power maps can be obtained with and without gamma transport using the Monte-Carlo code TRIPOLI-4. In this project, the benchmark KAIST-1A is used to test the model, and the results are presented and analyzed. On a full core, gamma transport also smoothes down the power map. Thanks to gamma transport we are able to calculate a new deposited power in the hot spot corresponding to the pin where the maximum deposited power is reached. Safety régulations demand a limitation on the temperature reached at the hot spot. Therefore, better calculations of the power maps is a critical issue of reactor physics. In this thesis, we show that the power deposited in the hot spot decreases by about 1% after gamma transport.


identifier: Jubinville, P. (2017). Détection de gaz par un senseur microfabriqué à cavité Fabry-Pérot fonctionnalisée avec des polymères  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'odorat est l'un des derniers sens qui n'est pas encore complètement repliqué. Le problème principal est qu'alors que la vue n'a que trois longueurs d'onde principales à identifier, l'odorat en a selon les plus basses estimations des milliers. Un travail colossal est nécessaire pour créer des senseurs assez sensibles et surtout capable de discerner ces différentes odeurs. Plusieurs industries voudraient profiter de senseurs de gaz sélectifs qui permettraient par exemple de suivre l'évolution d'un procédé chimique ou encore de mesurer l'émission de polluants de manière à respecter des normes environnementales. Le senseur de gaz développé dans le cadre de ce mémoire a comme principe de base l'expansion d'un polymère en présence de certains gaz. Pour pouvoir mesurer cette expansion, une cavité optique résonante appelée cavité Fabry-Pérot est utilisée. Les propriétés de cette cavité change avec l'expansion du polymère et ce phénomène est très précis, ce qui permet de détecter de très petites expansions, donc d'être très sensible. Ce travail porte sur un senseur dont la première génération a été développée par St-Gelais et al. (2013). Les buts principaux de cette maîtrise étaient l'amélioration de deux caractéristiques importantes de tout senseur, soit la sensibilité et la sélectivité. Le premier objectif a été atteint à l'aide de l'optimisation du design du senseur avec une amélioration de 120% de la sensibilité avec un senseur en réflexion par rapport au senseur de première génération. La sélectivité a quant à elle été démontrée à l'aide de trois différents polymères, soient le PDMS, le SU8 et le 2,6-diaminotoluène, utilisés avec quatre différents gaz, soient le toluène, le 1-butanol, l'acide valérique et le limonène. Respectivement, des sensibilités maximales de 1,07 ˙ 10−3, 1,53 ˙ 10−4, 3,15 ˙ 10−3 et 1,07 ˙ 10−2 nm/ppm ont été obtenues. D'autres caractéristiques importantes à tout senseur comme la reproductibilité ont aussi été evaluées. La dépendance en température et humidité ainsi que la stabilité du polymère ont révélé des problèmes potentiels. Une évaluation du bruit et du temps de réponse a aussi permis de proposer des améliorations au montage expérimental. Finalement, la limite de détection a été estimée sous la partie par million (ppm).  ABSTRACT: Smell is one of the last senses which is not completely replicated. The main problem is that while the eyes only have to detect three different wavelengths, a nose needs to detect thousands of odors or even more depending on which estimate you choose. A huge amount of work is necessary if we want to engineer sensors sensitive enough and also able to differentiate odors. Many industries would benefit from a selective sensor which would be able to monitor a chemical reaction or even detect the emission of pollutant. The gas sensor developed as part of this dissertation is based on the expansion of a polymer in the presence of certain gases. To quantify this expansion, a resonant optical cavity called Fabry-Pérot cavity is used. The properties of such a cavity change with the expansion of the polymer and it is extremely precise. Such a sensor is then able to detect very small expansions which makes it very sensitive. This main purpose of this work was to improve the two main attributes of a previously reported sensor (St-Gelais et al. (2013)), which are sensitivity and selectivity. The first objective was reached with the help of the optimization of the sensor design. A reflective sensor allowed an improvement of 120% of the sensitivity compared to the first generation of sensors. Selectivity was demonstrated with three different polymers and four gases. The polymers were polydimethylsiloxane (PDMS), SU8 and 2,6-diaminotoluene while the gases were toluene, 1-butanol, valeric acid and limonene. Respectively, maximal sensitivities were 1,07 ˙ 10−3, 1,53 ˙ 10−4, 3,15 ˙ 10−3 et 1,07 ˙ 10−2 nm/ppm. Other important characteristics like reproducibility were assessed. The sensor's dependance to temperature and humidity and the polymer stability were determined as potential problems. An evaluation of noise and response time helped to identify improvements to the experimental setup. Finally, the detection limit was estimated to lower than a ppm.


identifier: Amar, L. (2017). Contrôle passif non linéaire d'un profil aéroélastique, simulations et expérimentations  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif de cette thèse est de contrôler passivement une instabilité dynamique appliquée au flottement d'un profil aéroélastique à l'aide de différents types d'Amortisseurs à Masse Accordés (AMA). Un profil 2D appelé Section Typique, représentatif du comportement dynamique et aérodynamique d'une aile d'avion, est utilisé tout au long de l'étude. En première partie, l'état de l'art du contrôle passif des profils aéroélastiques est présenté et la problématique est définie. Une étude comparative de trois modèles mathématiques d'interaction fluide/structure appliqués à la Section Typique (Theodorsen, LUVLM et UVLM) met en valeur les forces et faiblesses de chacun. Le banc d'essai aéroélastique en soufflerie, utilisé par la suite, est présenté puis identifié avec et sans vent (GVT). Trois méthodes d'identification sont comparées sur trente mesures expérimentales : la transformée de Fourier rapide associée au décrément logarithmique, l'ajustement d'une courbe (Data fitting) et Ibrahim Time Domain (ITD). Les deux dernières sont les plus adaptées pour l'identification d'un système à plusieurs degrés de liberté. Les modèles numériques sont en adéquation avec les mesures expérimentales. En deuxième partie, les calculs des vitesses critiques de Divergence, d'Inversion des Gouvernes et de Flottement sont automatisés avec le modèle Theodorsen afin de réaliser une étude paramétrique du banc d'essai et mettre en lumière les variables de conception les plus influentes. L'analyse modale présente différentes bifurcations liées au changement soudain du mode instable. Ensuite, le même algorithme est utilisé afin d'analyser la suppression du flottement à l'aide de trois géométries d'AMAs linéaires : cas de la translation, de la rotation équilibrée et de la rotation déséquilibrée. Un gain de 40% des performances en termes de vitesse critique de flottement est calculée pour une masse ajoutée de 1% de la masse de l'aile. La dernière partie présente l'étude expérimentale et numérique d'un AMA non linéaire de type Nonlinear Energy Sink (NES). La singularité de cette configuration est d'utiliser le volet en tant qu'amortisseur et ainsi, ne pas ajouter de masse (FSI-VA). Un mécanisme hautement modulable permet de réaliser une force de rappel non linéaire. La loi de comportement, dérivée analytiquement, est en accord avec les mesures réalisées lors d'essais de torsion. En soufflerie, six comportements non linéaires sous-critiques (en deçà de la vitesse de flottement dans la configuration linéaire) sont observés, identifiés et analysés : cinq Cycles Limites d'Oscillations (LCO) et un battement non linéaire chaotique. Cette stratégie de contrôle apparaît, dès lors, non conservatrice. Les simulations numériques du même cas sont réalisées à l'aide des codes Theodorsen et UVLM.  ABSTRACT: The aim of this thesis is to passively control a dynamic instability applied to an aeroelastic profile's flutter using different types of Tuned Mass Dampers (TMD). A 2D profile called Typical Section, that represents the dynamic and the aerodynamic behavior of an aircraft wing, is used throughout the study. In the first part, the state of the art of aeroelastic profiles' passive control is presented and the problem is defined. A comparative study of three mathematical models of fluid-structure interaction applied to the Typical Section (Theodorsen, LUVLM and UVLM) highlights the strengths and weaknesses of each code. The aeroelastic test bench, used subsequently, is presented and identified with and without wind (Ground Vibration Test, GVT). Three identification methods are based on the comparison of 30 experimental measurements: Fast Fourier Transform (FFT) with logarithmic decrement, curve fitting and Ibrahim Time Domain (ITD). These two last methods are the most suitable for the multi-degree-of-freedom system identification. Numerical models are in agreement with the experimental measurements. In the second part, critical velocities computations (Divergence, Control Surface Reversal and flutter) are automated while using the Theodorsen model in order to carry out the test bench parametrical study to highlight most influential variables. The modal analysis presents different bifurcations linked to the sudden change of the unstable mode. Then, the same algorithm is used to analyze the flutter suppression using three linear TMD geometries : cases of translation, balanced rotation and unbalanced rotation. A gain of 40% in flutter speed performances is calculated for an additional mass of 1% wing's total mass. The last part presents the experimental and numerical studies of a nonlinear TMD called Nonlinear Energy Sink (NES). The uniqueness of this configuration consists in recycling flap's vibrations as a flutter damper and thus, get a zero added mass. A nonlinear restoring force can be achieved by a highly nonlinear mechanism. The nonlinear structural behavior is derived analyticaly and is in good agreement with experimental torsion tests. In the wind tunnel, six subcritical nonlinear behaviors (below the flutter velocity in the linear configuration case) are observed, identified and then analyzed : five Limit Cycle Oscillations (LCO) and a chaotic nonlinear beatting. This control strategy appears as non-conservative. Numerical simulations of this actual case are realized using Theodorsen and UVLM codes. The latter presents results close to experimental measurements unlike Theodorsen's model. A flutter velocity gain of 8% is measured without an added mass.


identifier: Zhao, X. (2017). Metabolomics and Dynamic Metabolic Flux Analysis in ABE (Acetone-Butanol-Ethanol) Fermentation  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, les hydrolysats d'hémicelluloses, des matières premières riches en glucides issues des procédés papetier et forestier, sont largement étudiés pour le développement de procédés de bioraffinerie forestière pour la production de biobutanol, un biodiésel de remplacement du pétrole. Une des avenues biotechnologiques les plus étudiées à ce jour est la fermentation ABE (acétone-butanol-éthanol) par la bactérie Clostridium acetobutylicum. Cependant, certains inhibiteurs de la fermentation ABE sont générés lors du procédé de prétraitement et d'hydrolyse, ce qui limite grandement l'utilisation de ces biomasses riches en substrats peu coûteux. D'autre part, les pratiques actuelles de culture mènent à des rendements en butanol qui ne sont pas suffisants pour assurer la mise en place d'unités industrielles de production qui soient économiquement profitables. L'objectif de ce projet de recherche visait donc à améliorer la productivité du bioprocédé de fermentation ABE, dans un contexte de bioraffinage forestier, par l'amélioration des connaissances et le développement de stratégies de culture. Un milieu synthétique contenant du xylose comme source principale de carbone a été utilisé pour simuler un hydrolysat d'hémicelluloses d'épinette noire pour un bioprocédé de fermentation avec la bactérie Clostridium acetobutylicum. Tout d'abord, nous avons étudié l'effet d'une concentration élevée en chlorure de sodium sur le comportement du bioprocédé. En effet, une quantité élevée en hydroxyde de sodium est ajouté lors du procédé de délignification des copeaux de bois, au préalable de l'étape d'hydrolyse, cet ajout tient au fait du contrôle pH ainsi que pour son pouvoir caustique comme agent de nettoyage. Ainsi, compte tenu de l'intérêt à utiliser cette solution d'hydrolysats d'hémicellulose, il est considéré comme crucial d'évaluer l'effet de cette haute concentration en sodium sur la fermentation ABE. Une concentration seuil de sodium de 200 mM, soit ce qui est normalement mesuré en industrie, a été utilisée et comparée à une culture témoin avec la souche Clostridium acétobutylicum ATCC 824. Les résultats ont révélé que la biomasse et l'ABE étaient sérieusement inhibés par une concentration élevée en sodium, avec une diminution respectivement de 19.50 ± 0.85 % (biomasse), 35.14 ± 3.50 % (acétone), 33.37 ± 0.74 % (butanol) et 22.95 ± 1.81 % (éthanol). De manière intéressante, les productivités spécifiques cellulaires en solvants ont été maintenues comparativement à la culture témoin. Une étude approfondie du métabolisme intracellulaire a permis d'identifier que l'effet principal d'une concentration élevée en sodium se concentre principalement sur la phase d'acidogénèse, phase préalable et requise pour procéder en phase solvantogénèse lors de laquelle les solvants sont produits. Les intermédiaires métaboliques associés à la voie des pentoses phosphates et à la glycolyse ont alors été respectivement inhibés de 80.73 ± 1.47 % et de 68.84 ± 3.42 % face à la culture contrôle sans ajout de sodium. Cependant, l'ATP et le NADH ont été accumulés pendant cette période alors que le ratio entre le NADP+ et le NADPH est demeuré constant pour toute la durée de la culture; un phénomène pouvant être relié à la forte hausse de productivité spécifique en solvants. Dans un deuxième temps, l'effet de la présence d'acétate sur la fermentation ABE a été étudié, compte tenu que ce composé est généré en quantité non négligeable lors de l'étape d'hydrolyse des hémicelluloses. Or, par un heureux hasard, les cultures implémentées initialement avec une concentration en acétate de sodium de 60 mM ont mené à la production d'une quantité élevée de riboflavine, atteignant un maximum ~ 0,2 g L-1 (0,53 mM) contre 0,057 mM dans la culture témoin, soit une augmentation d'un facteur 10x. Parallèlement à une augmentation marquée de production de riboflavine, la production de solvants et le rendement en biomasse ont même été simultanément favorisés. De façon intéressante, l'addition d'acétate a également stimulé l'accumulation intracellulaire de NADH, ce qui a pu contribuer, finalement, à affecter d'autres voies métaboliques par régulation redox. L'analyse métabolique intracellulaire a également permis de spéculer sur les flux stimulés ou inhibés en présence d'acétate et qui les métabolites accumulés lors de l'étape d'acidogénèse vers la phase de solvantogénèse pour la production de solvants. Finalement, un modèle métabolique cinétique a été développé pour simuler ce système de production ABE coproducteur de riboflavine, et utilisé pour l'analyse de la dynamique des flux métaboliques. La cinétique de chaque flux métabolique ainsi que de la croissance de la biomasse sont décrites selon une cinétique de type Michaelis-Menten. Le mécanisme d'activation de la formation de riboflavine et de butanol par l'acétate, ainsi que les mécanismes d'inhibition de la croissance de la biomasse et l'absorption du xylose par le butanol ont été décrits. Le modèle comprend 24 réactions, 23 métabolites et 72 paramètres. La structure du modèle ainsi que la valeur de ses paramètres biocinétiques ont été déterminées en confrontant les simulations du modèle à des données expérimentales en bioréacteur de 3,5 L, en concentrant l'étude des paramètres sensibles identifiés par une étude de sensibilité. Ainsi, le modèle a montré être en mesure de simuler divers phénomènes métaboliques reliés à la transition de la phase acidogène à la phase solvantogène, soit une étape cruciale à l'induction de la production en solvants. Parallèlement, l'analyse dynamique des flux métaboliques, via les simulations du modèle, a permis de révéler que les taux de formation de riboflavine (ribA) et de guanosine triphosphate (GTP, précurseur de la riboflavine) (PurM), étaient tous deux fortement stimulés par l'ajout d'acétate, avec une activité de 9,4 fois et 9,7 fois au moment initial, respectivement. Cette étude supporte donc notre hypothèse que l'ajout d'acétate favorise une stimulation de flux les métabolites accumulés lors de l'acidogénèse vers la production de solvants dans la phase de solvantogénèse. Enfin, une simulation différente de la concentration initiale en acétate a montré que ce modèle était robuste pour prédire l'ABE et la coproduction de riboflavine dans un milieu de culture contrôle sans ajout d'acétate. En conclusion, cette thèse portant sur l'étude du comportement métabolique d'un bioprocédé de fermentation ABE à l'aide de Clostridium acetobutylicum ATCC 824, apporte des idées, des résultats et des outils qui contribueront à l'établissement de bioprocédés de production de biobutanol, valorisant des résidus d'hydrolysats d'hémicellulose, qui soient économiquement viables.  ABSTRACT: Nowadays, hemicellulose hydrolysates - sugar-rich feedstocks issued from the pulp-and-paper and forestry industries - are being greatly investigated in butanol biorefinery. Among various biotechnological platforms under study to produce butanol, the acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation process with Clostridium acetobutylicum seems to be the most studied avenue. However, some inhibitors are generated in the pre-treatment and hemicellulose hydrolysis processes, with compounds which are inhibitors of ABE fermentation. Moreover, the productivity yields of the ABE bioprocess are still low and barely enable the economic feasibility of such a bioprocess at an industrial scale, despite the low cost of these feedstocks. Therefore, the main objective of this thesis is focused on ameliorating our fundamental knowledge of ABE fermentation in order to enable the identification of potential bioprocess improvement strategies. The aim of this research is thus to contribute to the development of biobutanol industrialization. A synthetic medium with xylose as the main carbon source was used to simulate hemicellulose hydrolysates of black spruce, used in the pulp-and-paper and forestry industries, and Clostridium acetobutylicum was the culture used to perform ABE fermentation. In the first part, we evaluated the effect of a high sodium chloride concentration in ABE fermentation, since large amounts of sodium hydroxide are applied to wood chips during the hydrolysis process such as in delignification, pH control, and as caustic cleaning agents. These processes then artificially increase the sodium concentration of the resulting solution, and since this solution is to be used as a culture medium for ABE fermentation, it is crucial to characterize the effects of such a high sodium content. A sodium concentration of 200 mM, a level normally observed in industry, was thus assessed and compared to a control culture. The Clostridium acetobutylicum ATCC 824 strain was studied, and a high sodium condition was shown to affect biomass growth and ABE yield, but not the cell-specific productivity in ABE. A further metabolomics study showed that a high sodium concentration mainly influenced the acidogenic phase and biomass synthesis. The ABE fermentation process normally requires an acidogenic phase first, in order to proceed to the solventogenic phase during which solvents are produced, so during acidogenesis, high sodium conditions were shown to inhibit the intermediate metabolites concentration of the pentose phosphate pathway and glycolysis pathways of up to 80.73  1.47 % and 68.84  3.42 %, respectively. However, ATP and NADH were stimulated at high sodium, while the NADP+-to-NADPH ratio was constant for the entire culture duration, a phenomenon which may explain the robustness of solvents' specific productivities even under a sodium stress. In the second part, we investigated the effect of supplementing acetate on ABE fermentation, since this compound is generated in non-negligible amounts during the hemicellulose hydrolysis step. Indeed, supplementing the culture medium at 60 mM sodium acetate led to the production of a yellow sediment clearly identified as riboflavin. We thus observed that a 60 mM acetate supplementation leads to a 10-fold increase of riboflavin, reaching up to ~ 0.2 g L-1 (0.53 mM) compared to 0.057 mM in the control culture. A metabolomic study showed that acetate supplementation resulted in a higher consumption of GTP, which is the precursor of riboflavin. Moreover, solvents production and biomass yield were also promoted when adding acetate. Interestingly, acetate addition clearly stimulated the accumulation of the reduced form of nicotinamide-adenine dinucleotide (i.e. NADH), which could have affected other metabolic pathways though redox regulation mechanisms. Our metabolomic study also suggests that a high acetate condition stimulates the mobilization of various metabolic intermediates accumulated in acidogenesis towards solvents production in solventogenesis. In the third part, a kinetic metabolic model was developed in order to better understand the effect of adding acetate by simulating the ABE-coproducing riboflavin process and performing a dynamic metabolic flux analysis. Each step in flux kinetics, as well as the biomass specific growth rate, was described using the Michaelis-Menten type approach. The activation mechanism of riboflavin and butanol formation by acetate, as well as the inhibition mechanisms of biomass growth and xylose uptake by butanol, were described. The model includes 24 reactions, 23 metabolites, and 72 parameters. Model structure as well as kinetic parameter value were determined by minimizing simulation errors of experimental data for 3.5-L bioreactor cultures at 60 mM acetate condition. Indeed, the model was shown to be capable of adequately simulating experimental data and predicting culture behavior without acetate addition, as well as the transition from acetogenesis to solventogenesis - a crucial step in the induction of solvents production. Moreover, a dynamic metabolic flux analysis suggests that the riboflavin (ribA) and guanosine triphosphate (GTP, precursor of riboflavin) formation rates (PurM) were strongly stimulated by high acetate with 9.4-fold and 9.7-fold activity early following inoculation, respectively. This in silico study further suggests that a high acetate condition stimulates fluxes which dredged accumulated metabolites in acidogenesis for solvents production. In conclusion, this work on the investigation of the metabolic behavior of ABE fermentation with Clostridium acetobutylicum ATCC 824 has brought thoughts, results, and tools which may contribute to enabling the economic feasibility of producing butanol valorizing hemicellulose hydrolysates wastes.


identifier: Arkoun, M. (2017). Élaboration de nouveaux biomatériaux antibactériens à base de chitosane par le procédé d'électrofilage  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Actuellement, des efforts considérables sont entrepris par les chercheurs afin de concevoir des matériaux d'emballages actifs, basés sur des technologies propres et respectueuses de l'environnement. L'objectif étant de satisfaire la demande des consommateurs pour des produits alimentaires sûrs, sains, pas ou peu transformés et sans conservateurs, avec la perspective de réduire le gaspillage et les intoxications alimentaire, essentiellement causés par le développement d'une flore d'altération et pathogène dans les aliments.   Le chitosane est un polymère d'origine naturelle possédant de puissantes propriétés antimicrobiennes contre un large spectre de bactéries, levures et moisissures. L'inconvénient principal du chitosane est sa mauvaise aptitude à la mise en forme par les procédés industriels typiques des polymères. En effet, le chitosane étant un biopolymère thermosensible, et les procédés de mise en forme requérant des températures élevées, celui-ci se dégrade bien avant de fondre. Cette thèse vise donc à élaborer des matériaux antibactériens à base de chitosane par le procédé d'électrofilage.  L'électrofilage du chitosane dans le but de préparer des nanofibres est un processus prometteur qui a suscité beaucoup d'intérêt durant les dernières années. Hormis leur biocompatibilité et leur activité bactéricide, les nanofibres de chitosane (CNFs) ainsi obtenues possèdent des propriétés très recherchées parmi lesquelles un faible diamètre (40 nm, proche de celui des fibres de collagène), une grande surface spécifique (jusqu'à 500 m2/g) et une importante porosité (~ 80 %).  Le présent travail s'articule autour de trois grandes étapes. Étant donné que, pour être actives, les CNFs doivent être en contact direct avec l'aliment emballé, comprendre leur mécanisme d'action est alors crucial dans la lutte contre le gaspillage et les intoxications alimentaires. La première étape consiste donc à préparer les CNFs et à examiner leur mécanisme d'action antimicrobien in vitro, sur des souches bactériennes commensales et pathogènes les plus souvent incriminées dans l'altération microbiologique des aliments. L'activité bactéricide des CNFs a été investiguée contre deux bactéries à Gram négatif, Escherichia coli et Salmonella enterica serovar Typhimurium et deux bactéries à Gram positif, à savoir Staphylococcus aureus et Listeria innocua. La sensibilité/résistance des souches étudiées a été évaluée en termes de type de Gram, de l'hydrophobicité et de la densité de charge cellulaires de surface, mais aussi en fonction de la pathogénicité. Les résultats indiquent que l'activité antibactérienne des CNFs dépend de la protonation des groupements amines, et ce indépendamment du type bactérien. Le mode d'action des CNFs s'est révélé être bactéricide et non bactériostatique. Quant à la sensibilité des souches, celle-ci s'est avérée indépendante du type bactérien, tandis que l'hydrophobicité et la densité de charge de surface n'expliquent qu'en partie pour quoi certaines souches sont plus sensibles que d'autres à l'action des CNFs. L'ordre de sensibilité des souches était comme suit: E. coli > L. innocua > S. aureus > S. Typhimurium, les souches non pathogènes ou les moins virulentes étant les plus sensibles à l'action des CNFs.   La deuxième étape étudie l'effet des CNFs sur l'intégrité de la membrane bactérienne. Les résultats montrent clairement que les CNFs, chargées positivement interagissent avec la paroi bactérienne, de charge opposée, induisant ainsi une déstabilisation de l'homéostasie de la cellule. Le mécanisme d'action des CNFs implique une perméabilisation de la membrane cellulaire. Le relargage du contenu cytosolique, incluant protéines, enzymes et ADN dans le milieu extracellulaire est une indication de la perméabilisation et perforation de la membrane plasmique, puisque la formation de pores a été observée en microscopie électronique à transmission.  Dans la troisième et dernière étape, la préparation de matériaux d'emballage à base nanofibres de chitosane en vue d'une application concrète est investiguée. Pour ce faire, les solutions à base de chitosane ont été électrofilées sur la face interne d'un emballage conventionnel, en contact direct avec l'aliment à emballer. L'effet de la teneur en solvant et de l'ajout de faibles proportions d'oxyde de polyéthylène (PEO) sur l'élasticité, la densité de charge et la structure conformationnelle des chaînes de chitosane et son électrofilabilité ont d'abord été étudiés. Par la suite, l'efficacité bactéricide des emballages activés ainsi obtenus a été évaluée in vitro et dans des conditions réelles sur de la viande fraîche. Les résultats montrent qu'une bonne élasticité, atteinte à une teneur optimale en acide acétique de 50 % (v/v) et l'ajout de PEO à faible proportion (10-20 % p/p) facilitent la formation des nanofibres. Les résultats des tests in situ démontrent le potentiel prometteur (R = 95 %) des emballages à base de CNFs dans la lutte contre le gaspillage et les intoxications alimentaires d'origine bactériennes. De plus, l'allongement (d'une semaine) de la durée de vie de la viande fraîche est une propriété très recherchée dans l'industrie alimentaire et que les CNFs ont démontrée avec succès.  ABSTRACT: Currently, considerable efforts are being undertaken by researchers to design active packaging materials on the basis of greener, cleaner and ecofriendly technologies. The goal is to satisfy consumers' demand for safe, healthy, unprocessed or minimally processed and preservative free food products, with the prospect of reducing food waste and poisoning, mainly caused by the development of alteration and pathogenic flora in food. Chitosan is a natural polymer exhibiting strong antimicrobial properties against a broad spectrum of bacteria, yeasts and molds. The main disadvantage of chitosan is its poor processability in typical industrial processes for polymers. Indeed, being a thermosensitive biopolymer while polymer processing requires high temperatures, chitosan thermally degrades before it melts.  This thesis aims at developing chitosan-based antibacterial materials by the electrospinning process. Electrospinning of chitosan for the purpose of preparing nanofibers is a promising method that has attracted much interest in recent years. Besides their biocompatibility and bactericidal activity, the electrospun chitosan nanofibers (CNFs) exhibit highly desirable properties including a small diameter (40 nm, close to that of collagen fibers), a high surface area (up to 500 m2/g) and a high porosity (~ 80 %).  The present work has focused on three main steps. Since in order to be active, CNFs must be in direct contact with the packaged food, understanding their mechanism of action is therefore crucial in the fight against food waste and poisoning. The first step was to prepare CNFs and examine their antimicrobial mechanism of action in vitro against commensal and pathogenic bacterial strains most often incriminated in microbiological alteration of food. The bactericidal activity of CNFs was investigated against two Gram-negative bacteria namely Escherichia coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and two Gram-positive bacteria, Staphylococcus aureus and Listeria innocua. The susceptibility/resistance of the strains was evaluated in terms of Gram-type, cell surface hydrophobicity and charge density, as well as pathogenicity. The results indicated that the antibacterial activity of CNFs depends on the protonation of the amine groups, independently of bacterial type. The mode of action of CNFs revealed to be bactericidal and not bacteriostatic. Besides, the susceptibility of the strains was found to be independent of the Gram-type, while the hydrophobicity and the surface charge density explained only partly why some strains were more susceptible to the action of CNFs. The order of strain susceptibility was as follows: E. coli > L. innocua > S. aureus > S. Typhimurium, the non-pathogenic or least virulent strains being the most susceptible to the action of CNFs. The second step examines the effect of CNFs on the bacterial membrane integrity. The results clearly showed that the positively charged CNFs interact with the oppositely charged bacterial cell wall, thus inducing destabilization of the homeostasis of the cell. The mechanism of action of CNFs also involves permeabilization of the cell membrane. Moreover, the release of cytosolic compounds including proteins, enzymes and DNA in the extracellular medium, is an indication of the permeabilization and perforation of the plasma membrane, since pore formation was observed in transmission electron microscopy (TEM).  In the third and last step, the preparation of CNF-based packaging (CNFP) materials as a concrete application was investigated. To do so, chitosan-based solutions were electrospun on top of the internal face of a conventional packaging, in direct contact with food. The effect of solvent strength as well as the addition of poly(ethylene oxide) (PEO) on the elasticity, charge density and conformational structure of chitosan chains and its electrospinnability was firstly studied. Thereafter, the bactericidal efficiency of the activated packaging was evaluated in vitro and under real conditions with fresh meat. The results show that a good elasticity, achieved at an optimum acetic acid content of 50 % (v/v) and by the addition of low proportions of PEO (10-20 wt %) facilitated the fiber formation process. The results of the in situ tests demonstrate the promising potential (R = 95%) of the CNFP in the fight against food waste and poisoning caused by bacterial contamination. In addition, the extension of the shelf-life (one week) of the tested fresh meat is a very sought-after property in the food industry and which CNFs have successfully demonstrated.


identifier: Bussière, W. (2017). Parallélisation sur processeur graphique des techniques d'adaptation de maillage basées sur la maximisation de la conformité à une métrique riemannienne  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En mécanique des fluides numérique, une manière d'accroitre la précision d'une solution approchée tout en évitant une consommation excessive de ressources informatiques consiste à adapter le maillage au comportement de la solution. Par un processus itératif de résolution-adaptation, la forme et la taille des éléments sont adaptées à la courbure de la solution approchée afin de réduire l'erreur d'interpolation. Avec la croissance en taille des problèmes étudiés en mécanique des fluides, des techniques de parallélisation ont dû être développées pour réduire le temps de calcul des solveurs. Toutefois, si les adaptateurs ne bénéficient pas d'un effort similaire de parallélisation, leur temps de calcul dominera le processus itératif de résolution-adaptation. L'objectif de la présente recherche est de déterminer si les GPU sont en mesure d'accélérer le processus d'adaptation tout en produisant des maillages d'une qualité équivalente aux méthodes actuellement exécutées par le CPU. Par le lemme de Céa, on sait que l'erreur d'approximation est bornée par l'erreur d'interpolation. Produite par un estimateur de l'erreur a posteriori, la fonction métrique spécifie à l'adaptateur la longueur idéale d'une arête en un endroit donné pour une erreur d'interpolation donnée. Des opérations topologiques et géométriques permettent de modifier un maillage initial afin d'uniformiser la conformité de ses éléments à la métrique spécifiée. La présente recherche s'attardera particulièrement aux algorithmes de déplacement de noeuds qui démontrent déjà, en optimisation de maillage, une certaine facilité à être parallélisés sur le GPU. Toutefois, il est attendu que la manipulation des éléments non simpliciaux et que l'échantillonnage précis d'une fonction métrique 3D, caractéristiques nécessaires pour l'adaptation de maillages en mécanique des fluides numérique, causent certains problèmes sur ce type de processeur. Un logiciel d'adaptation de maillage a été développé pour vérifier les hypothèses de cette recherche. Tout le processus d'adaptation est dirigé par la mesure de conformité à la métrique. Sur le CPU, la fonction métrique est échantillonnée par recherche locale dans un maillage de fond. On propose également une nouvelle technique d'échantillonnage pour la métrique sur le GPU sous forme de texture. Une série d'algorithmes de déplacement de noeuds sont implémentés et comparés sur les deux types de processeurs, dont le lissage laplacien, la descente du gradient et Nelder-Mead. Une nouvelle version du lissage laplacien pour l'adaptation de maillage dans une métrique riemannienne est proposée. Également, en plus de l'axe des noeuds, on propose deux nouveaux axes de parallélisation pour les algorithmes de déplacement de noeuds : l'axe des éléments et l'axe des positions. Les détails d'implémentation les plus importants pour porter les algorithmes de déplacement de noeuds sur GPU sont abordés, tels que la traduction des structures de données et la synchronisation des processeurs. Deux technologies pour le développement de noyau de calcul seront comparées : GLSL et CUDA. Les résultats montrent clairement que l'échantillonnage de la fonction métrique par recherche locale n'est pas praticable sur GPU à cause de son grand volume d'instructions et de la divergence qu'elle induit sur les fils d'exécution, contrairement à l'échantillonnage par texture qui démontre d'encourageants taux d'accélération. Bien que l'échantillonnage par texture présente de petits défauts de précision pour les fonctions métriques les plus difficiles, on démontre qu'en augmentant la résolution des textures dans une mesure raisonnable, il est possible de rejoindre la précision du maillage de fond. Quant aux algorithmes de déplacement de noeuds, les algorithmes d'optimisation locale se démarquent du lissage laplacien par leur efficacité, autant pour les maillages tétraédriques qu'hexaédriques. De plus, Nelder-Mead se démarque des algorithmes d'optimisation locale par sa rapidité sur le CPU et le GPU. Les nouveaux espaces de parallélisation explorés sur le GPU ont permis de doubler le taux d'accélération des algorithmes. Par exemple, la version multiaxe de la descente du gradient est 48 à 110 fois plus rapide que sa version séquentielle et la version multiélément de Nelder-Mead est environ 50 fois plus rapide que sa version séquentielle. En somme, le pipeline d'adaptation de maillage optimal retenu échantillonne la métrique dans une texture et déplace les noeuds à l'aide de la version multiélément de Nelder-Mead écrite en CUDA sur le GPU. Malgré la grande portabilité des implémentations GLSL face aux implémentations CUDA, elles présentent de moins bonnes accélérations pour le pipeline optimal et sont souvent instables.  ABSTRACT: In numerical fluid mechanics, a way to enhance the precision of an approximate solution while limiting the consumption of computer resources, is to adapt the mesh to the solution's behavior. By an iterative process of consecutive resolution-adaptation phases, the shape and size of the elements are adapted to the curvature of the approximate solution to reduce the interpolation error. With the ever increasing size of the problems studied in numerical fluid mechanics, multiple techniques of parallelization have been developed to reduce the time needed by solvers to compute a solution. However, if the adapters do not benefit from a similar parallelization effort, their computing time would dominate the overall resolutionadaptation iterative process. This study's objective is to determine if GPUs are able to accelerate the adaptation process while producing meshes whose quality matches the one produced by current methods on the CPU. By Céa's lemma, it is known that the approximation error is bounded by the interpolation error. Generated by an a posteriori error estimator, the metric function specifies to the adapter the ideal length of an edge in a given location to obtain a specific interpolation error. Topological and geometrical operations modify an initial mesh in order to uniformize the conformity of its elements to the specified metric. The present study will specifically focus on node relocation algorithms that already demonstrate, in the field of mesh optimization, an ease to be parallelized on GPUs. Although, it is predicted that the manipulation of non simplicial elements and that the precise sampling of a 3D metric function, which are necessary to the adaptation of meshes in numerical fluid mechanics, may cause certain problems for that type of processor. A mesh adaptation software was developed to verify the hypotheses of this research. The entire adaptation process is driven by the measure of metric conformity. On the CPU, the metric function is sampled in a background mesh by local search. The research also proposes to sample the metric function in a texture on the GPU side. A series of node relocation algorithms are implemented and compared on both types of processor, including the Laplacian smoothing, the gradient descent and Nelder-Mead. A new version of the Laplacian smoothing for mesh adaptation in a Riemannian metric is proposed. Furthermore, in addition to the node axis, this study proposes two new parallelization axes for node relocation algorithms: the elements and positions axes. The most important implementation details to port the node relocation algorithms on the GPU are discussed, including processors synchronization and the translation of data structures. Two technologies for the development of GPU kernels are compared: GLSL and CUDA. The results clearly show that the sampling of the metric function by local search is not practical on the GPU because the method is too heavy in terms of instruction count and thread divergence. On the contrary, sampling this function through a texture demonstrates encouraging rates of acceleration. Even though texture sampling presents some precision flaws for the most difficult metric functions, this study demonstrates that by increasing the resolution of the textures by a reasonable amount, it is possible to meet the background mesh's precision. Concerning the node relocation algorithms, the local optimization algorithms stand out from Laplacian smoothing algorithms by their efficacy, as much on tetrahedral than hexahedral meshes. Furthermore, Nelder-Mead stands out from the local optimization algorithms by its high speed on the CPU as well as on the GPU. The newly explored parallelization axes on the GPU has doubled implementations acceleration rates. For example, the gradient descent's multiaxis version is between 48 and 110 times faster than its sequential version while Nelder-Mead's multielement version is approximately 50 times faster than its sequential version. In short, the selected optimal adaptation pipeline samples the metric function in a texture. It uses Nelder-Mead's multielement version, written in CUDA, to move mesh nodes on the GPU. Despite GLSL's high portability compared to CUDA, its implementation of the optimal pipeline shows lower acceleration rates and is often unstable.


identifier: Auger, K. (2017). Conception parasismique des contreventements concentriques en treillis à segments multiples combinés aux poteaux gravitaires  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Pour les structures de bâtiments en acier d'un seul étage de grande hauteur comme les entrepôts, centres sportifs ou hangars d'avion, il est courant d'utiliser une configuration de contreventement composée de plusieurs treillis superposés sur la hauteur de la structure, couramment appelée contreventement concentrique en treillis à segments multiples (CCSM). Ce système permet deminimiser les dimensions des membrures diagonales (longueur et section) comparativement à un seul treillis sur toute la hauteur de l'ouvrage.  ABSTRACT: In tall single-storey steel structures such as industrial buildings, sports facilities or airplane hangars,it is common practice to use a bracing configuration with multiple tiers stacked between the floor and ground levels of the structure. Such configuration is referred as multi-tier braced frame (MTBF). This system minimizes the brace dimensions including the length and cross-sectional area compared to the case where a single braced panel is used over the entire height of the structure.


identifier: Law-Kam Cio, Y.-S. (2017). Asservissement d'un bras robotique d'assistance à l'aide d'un système de stéréo vision artificielle et d'un suiveur de regard  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation récente de bras robotiques sériels dans le but d'assister des personnes ayant des problèmes de motricités sévères des membres supérieurs soulève une nouvelle problématique au niveau de l'interaction humain-machine (IHM). En effet, jusqu'à maintenant le « joystick » est utilisé pour contrôler un bras robotiques d'assistance (BRA). Pour les utilisateurs ayant des problèmes de motricité sévères des membres supérieurs, ce type de contrôle n'est pas une option adéquate. Ce mémoire présente une autre option afin de pallier cette problématique. La solution présentée est composée de deux composantes principales. La première est une caméra de stéréo vision utilisée afin d'informer le BRA des objets présents dans son espace de travail. Il est important qu'un BRA soit conscient de ce qui est présent dans son espace de travail puisqu'il doit être en mesure d'éviter les objets non voulus lorsqu'il parcourt un trajet afin d'atteindre l'objet d'intérêt pour l'utilisateur. La deuxième composante est l'IHM qui est dans ce travail représentée par un suiveur de regard à bas coût. Effectivement, le suiveur de regard a été choisi puisque, généralement, les yeux d'un patient ayant des problèmes sévères de motricités au niveau des membres supérieurs restent toujours fonctionnels. Le suiveur de regard est généralement utilisé avec un écran pour des applications en 2D ce qui n'est pas intuitif pour l'utilisateur puisque celui-ci doit constamment regarder une reproduction 2D de la scène sur un écran. En d'autres mots, il faut rendre le suiveur de regard viable dans un environnement 3D sans l'utilisation d'un écran, ce qui a été fait dans ce mémoire. Un système de stéréo vision, un suiveur de regard ainsi qu'un BRA sont les composantes principales du système présenté qui se nomme PoGARA qui est une abréviation pour Point of Gaze Assistive Robotic Arm. En utilisant PoGARA, l'utilisateur a été capable d'atteindre et de prendre un objet pour 80% des essais avec un temps moyen de 13.7 secondes sans obstacles, 15.3 secondes avec un obstacle et 16.3 secondes avec deux obstacles.  ABSTRACT: The recent increased interest in the use of serial robots to assist individuals with severe upper limb disability brought-up an important issue which is the design of the right human computer interaction (HCI). Indeed, so far, the control of assistive robotic arms (ARA) is often done using a joystick. For the users who have a severe upper limb disability, this type of control is not a suitable option. In this master's thesis, a novel solution is presented to overcome this issue. The developed solution is composed of two main components. The first one is a stereo vision system which is used to inform the ARA of the content of its workspace. It is important for the ARA to be aware of what is present in its workspace since it needs to avoid the unwanted objects while it is on its way to grasp the object of interest. The second component is the actual HCI, where an eye tracker is used. Indeed, the eye tracker was chosen since the eyes, often, remain functional even for patients with severe upper limb disability. However, usually, low-cost, commercially available eye trackers are mainly designed for 2D applications with a screen which is not intuitive for the user since he needs to constantly watch a reproduction of the scene on a 2D screen instead of the 3D scene itself. In other words, the eye tracker needs to be made viable for usage in a 3D environment without the use of a screen. This was achieved in this master thesis work. A stereo vision system, an eye tracker as well as an ARA are the main components of the developed system named PoGARA which is short for Point of Gaze Assistive Robotic Arm. Using PoGARA, during the tests, the user was able to reach and grasp an object for 80% of the trials with an average time of 13.7 seconds without obstacles, 15.3 seconds with one obstacles and 16.3 seconds with two obstacles.