Deux axes scientifiques fédérateurs comme moteur d'innovations transverses

de décision et d'action), les systèmes mobiles du futur sont certainement ceux qui impacteront le plus notre société non seulement d'un point de vue comportemental mais également applicatif. La notion d'autonomie est alors centrale. Elle fait référence à la fois à une autonomie de décision ou d'assistance, et à une autonomie d'actions et de mouvements énergétiquement contrôlés. Elle ne peut en revanche être dissociée des systèmes de mesure et d'analyse de l'environnement et des comportements. La portée applicative qui doit être visée impose alors un postulat de compréhension des comportements des usagers (opérateurs ou passagers de systèmes de mobilité, mais aussi en interaction avec ces derniers) comme prérequis pour la mise au point de dispositifs ou de mesures efficaces, car acceptés par ces derniers.

La mutation, de plus en plus rapide, vers l'électromobilité et vers la délégation partielle ou totale de l'activité de conduite pose par exemple de nombreuses questions liées notamment à la mutation des besoins actuels (trafic hétérogène composé de véhicules plus ou moins autonomes et plus ou moins instrumentés, ...), mais aussi à la mise au point de dispositifs d'interactions entre le véhicule et ses usagers, et au-delà entre le véhicule potentiellement (semi) autonome et les autres usagers de l'espace routier. Outre cette question, les déplacements d'une population vieillissante et en surpoids posent également de plus en plus la question de l'aide à la mobilité de personnes fragilisées. Question qui appelle des réponses mettant, elle aussi, en œuvre l'électromobilité.

Le développement d'outils innovants pour l'étude des comportements et des interactions des différents acteurs impliqués dans la mobilité est un des champs moteurs de l'activité de recherche de cet axe fédérateur. La dimension formation ou le ré-entraînement de leur capacité à réaliser leurs déplacements doivent par ailleurs être pris en compte.

Les recherches envisagées visent à permettre la conception de dispositifs efficaces pour assurer la mobilité des personnes et des biens en réduisant l'accidentalité routière, mais aussi à faciliter la mobilité des usagers les plus vulnérables (y compris les personnes à mobilité réduite temporaire ou permanente). Ces dispositifs intègrent des outils numériques dont la validité et l'interopérabilité avec l'usager (pouvant être conducteur déléguant tout ou partie de son activité de conduite ou de déplacement, passager et usager de l'infrastructure en interaction avec un véhicule) sont cruciales dès la conception. Dans le contexte dynamique complexe d'un déplacement, nécessitant des prises de décisions sous contraintes temporelles fortes, ces outils posent de plus la question clé de leur faisabilité.

Les thèmes prioritaires adressés par cet axe fédérateur aident ainsi la conception d'instrumentations, de méthodes et d'outils valides pour :

• L'étude, l'entraînement/ré-entraînement des comportements humains dans des systèmes de mobilité

« in-door » ou « out-door », en nous focalisant sur les situations critiques (contraintes temporelles et/ou limitation des capacités de l'opérateur/usager humain),

• La mise au point, le test et la validation de systèmes de mobilité ou d'aide à la mobilité.

Les verrous à lever et les objectifs visés impliquent la conception :

• De systèmes d'instrumentation permettant : (i) Une collecte de données pertinentes qui garantisse une datation fiable et donc une synchronisation des différentes sources, sous des contraintes d'embarquabilité sur des mobiles variés (de la voiture au piéton en passant par les 2 roues mais aussi par les nouveaux dispositifs de mobilité individuels – gyropodes par exemple); (ii) La compréhension, au sein même de l'engin mobile, des comportements Humains, de leurs déterminants, et leurs modélisations à des fins de simulation (les études de comportements sont réalisées en collaboration avec des équipes de compétences complémentaires notamment en SHS); (iii) La localisation précise dans des espaces pouvant être contraints,

• De simulateurs de conduite (au sens large) intégrant : (i) l'étude de scénarios d'interactions complexes intra-systèmes impliquant un/plusieurs Humain(s) dans la boucle, (ii) l'élaboration de méthodes d'évaluation de la validité des simulateurs (en incluant des mesures sur « l'homme », notamment des outils d'imagerie médicale).

• De prototypes permettant des études sur piste de situations accidentogènes – dans un objectif de sécurité.

L'approche développée de conception des outils et de modélisation s'appuie sur une démarche itérative qui intègre la connaissance des comportements acquise à travers des études en situation réelles. Le biais introduit par le panel humain, son expérience face à une mise en situation visée et même l'utilisation de simulateurs impactent la validité des observations et des outils mis en œuvre à priori. Il s'agit non seulement de comparer les performances réalisées en situations réelles et virtuelles mais aussi de comparer les mécanismes psychologiques, neuropsychologiques et physiologiques impliqués (ex., les phénomènes d'adaptation et d'apprentissage, les stratégies visuelles d'exploration, la charge mentale, l'activation musculaire et cérébrale, etc.). De fait, le comportement humain observé « en virtuel » est

Cette approche implique donc des collaborations avecdes équipes des sciences du mouvement, d'ergonomie/psychologie et de neurosciences. La création de l'université Paris-Saclay (et de sa « School

» double compétence SPI / STAPS), et de la Fédération de recherche Demeny-Vaucanson (FEDEV), (projet de School, et projet d'Institut DVIMS) est naturellement une opportunité unique de faire collaborer des équipes universitaires mixtes sur la question de la mobilité humaine.

En synergie avec les savoir-faire de SATIE en Electrical Engineering, cet axe a vocation à être étendu vers les domaines de l'électromobilité interactive et de la mobilité humaine au sens large.

C.1.1.2.2 Axe « Systèmes innovants de caractérisation »

De manière complémentaire à l'axe précédent, la caractérisation et le contrôle d'environnements ou milieux complexes en évolution présentent un enjeu industriel considérable compte tenu de l'étendue des produits et objets d'étude concernés. Mesurer simultanément les comportements mécanique, électrique et optique à différentes échelles des environnements et milieux complexes voire multiphasiques⁸ est en effet un des sujets d'investigation d'actualité non seulement pour comprendre les processus complexes dans lesquels ils sont impliqués (compréhension de pathologies, processus de vieillissement de la matière ou d'œuvres, dynamiques des interactions intrinsèques et extrinsèques entre milieux), mais également pour synthétiser de nouveaux matériaux et en optimiser leur spécificité. Si ces matériaux sont généralement connus tant à l'échelle particulaire et moléculaire (composition élémentaire connue) que d'un point de vue macroscopique (texture, aspect et caractéristiques mécanique et électrique contrôlés), leur lien avec les échelles intermédiaires microscopique et mésoscopique n'est de plus pas trivial. Si de surcroît on souhaite relier ces caractéristiques physiques à ces échelles avec la dimension cognitive (implication comportementale, dimension sensorielle) les enjeux de contrôle non destructif rejoignent les enjeux des systèmes autonomes et de robotique.

Que ce soit pour l'amélioration de la capacité de détection des systèmes autonomes ou pour le suivi de milieux et l'optimisation matériaux complexes, l'anticipation des évolutions de ces milieux par la mesure multi-échelles-multimodale est un verrou scientifique. En effet, les interactions milieu-environnement répondent à des processus nombreux, de nature différente, et à priori aléatoires, et ont un impact à toutes les échelles. Par ailleurs, pour limiter la quantité d'information à traiter, un co-design de modélisation et de traitement associé avec les capteurs et les systèmes instrumentaux doit être envisagé.

Ainsi par exemple, dans un souci de restauration et de conservation du patrimoine matériel, l'étude des fresques préhistoriques, des encres, des céramiques, des marbres, des patines et vernis de protection nécessite pour retracer son histoire une compréhension de l'œuvre, culturelle, historique et de sa matérialité, c'est à dire de ses caractéristiques physico-chimiques et biologiques passées et actuelles. Plus généralement dans les sciences du vivant, l'étude systémique des matériaux incluant des microorganismes suscite une attention particulière tant ceux-ci sont présents dans la totalité des écosystèmes. Par leur structure évolutive caractéristique, cette étude nécessite des techniques d'analyse "en ligne" à différentes échelles ou d'imagerie suffisamment résolue. En santé, les mêmes problématiques d'investigation multi-échelles "en ligne" se posent pour l'étude des tissus et organismes vivants où s'entremêlent cellules et microorganismes immergés dans des liquides, polymères, peptides et protéines. En sécurité enfin, la mise au point d'outils de mesure d'aide à la détection ou de constitution de preuves en sciences forensiques par exemple nécessite l'ensemble des savoir-faire cités précédemment. Avoir la capacité, à tout moment, de décrire l'ensemble des interactions en jeu au sein et avec ces structures rigides ou molles (ni liquides, ni solides) a pour corolaire de prévenir leurs altérations voire de comprendre et de guérir les pathologies les plus complexes comme les maladies conformationnelles par exemple.

Les activités scientifiques de cet axe fédérateur à l'interface de la physique, la chimie, la biologie et les sciences de la vie concernent donc la mise au point d'une nouvelle instrumentation pour la caractérisation de ces processus et milieux : de l'élaboration des capteurs aux systèmes de contrôle et au problème inverse associé. Les systèmes instrumentaux visés ont pour objectif la caractérisation multi-échelles de milieux complexes de différents types (structures hybrides, tissus biologiques, fluides et émulsions, matériaux anciens), à l'aide d'études des interactions ondes ultrasonores, électromagnétiques ou optiques. L'approche simultanée multimodale et multi-échelles permet une étude plus fine des propriétés physico-chimiques et biophysiques des milieux en évolution et nécessite un travail de modélisation des interactions ondes-capteurs-matériaux important.

Dans ce contexte, la mise au point de méthodes rigoureuses de caractérisation et de mesure de leurs comportements micrométriques, de leurs modélisations macroscopiques, ainsi que le développement d'approches permettant de relier la structure et l'organisation des éléments moléculaires aux propriétés macroscopiques est un enjeu

capital. Compte tenu des échelles caractéristiques des nouveaux matériaux aux fonctionnalités complexes, et dans un objectif d'optimisation, il parait aujourd'hui difficile de les étudier finement sans tenir compte de ces différentes échelles.

L'enjeu commun de recherche en instrumentation non destructive suppose en fait une approche systémique de compréhension des mécanismes d'interactions perçus comme pseudo-aléatoires tant le nombre de paramètres et de grandeurs en jeu est important. Mesurer au mieux, et si possible simultanément, les grandeurs significatives, à différentes échelles, devient de fait un enjeu d'innovation majeur.

A l'échelle macroscopique, l'arrangement des molécules constituant les milieux complexes implique des propriétés mécaniques, optiques et diélectriques particulières. Dans le cas de milieux multiphasiques, ces propriétés sont issues des effets prédominants des interfaces intrinsèques (fluide dans solide, ou structure dans fluide). Suivant la dimension de ces macromolécules, leur arrangement, leur structure et leur nombre, le comportement du milieu peut s'approcher de celui d'un fluide homogène (essentiellement visqueux et souvent peu conducteur) ou de celui d'un solide (aux propriétés élastiques prédominantes et parfois conducteur).

A l'échelle microscopique, les macromolécules sont soumises à des interactions intra et intermoléculaires. Ces interactions sont d'origines diverses. Elles peuvent être attractives (forces entropiques, forces de Van der Waals), ou répulsives (forces électrostatiques, stériques). Toutes ces interactions n'ont pas la même influence et n'interviennent pas à la même échelle. L'ensemble de ces forces contribue néanmoins à l'équilibre définissant l'état de la matière. De plus, pour un même matériau, ces interactions peuvent évoluer suivant l'environnement dans lequel ils se trouvent (Température, pH, …).

A l'échelle cellulaire, un des intérêts des systèmes micro-structurés est de pouvoir placer des cellules biologiques vivantes ou des biomolécules fonctionnelles dans un environnement particulier, émulant par exemple les conditions "in vivo". Cela permet d'obtenir des informations plus pertinentes sur les réactions biochimiques en jeu que lors d'une expérimentation "in vitro", avec notamment la possibilité d'évaluer les interactions entre des différentes lignées cellulaires, voire d'investiguer le fonctionnement interne de la cellule et de ses composantes (protéines membranaires, canaux ioniques …). Les systèmes micro-structurés sont aussi le moyen de manipuler des cellules vivantes ou du matériel biologique avec à terme des objectifs thérapeutiques (thérapie génique par exemple).

Les thèmes prioritaires adressés par cet axe fédérateur concernent donc la conception d'instrumentations, de méthodes et d'outils pour :

• La mise au point de capteurs, biocapteurs et bio-microsytèmes dont le défi de miniaturisation et d'optimisation de la sensibilité peut être relevé grâce à compréhension des interactions capteur–

environnement ou réseau de capteurs – environnement.

• La mise au point, le test et la validation de systèmes de contrôle non destructif multiphysiques dont l'enjeu de mesure à des échelles différentes des cinétiques d'évolution de processus relève à la fois de l'optimisation des interactions des ondes mises en jeu et des problèmes inverses appliqués.

Les verrous à lever et les objectifs visés impliquent la conception :

• De systèmes d'instrumentation permettant : (i) Une analyse fine voire une manipulation des milieux investigués à des échelles moléculaires et cellulaires utilisant les interactions optiques – électromagnétiques RF avec la matière ; (ii) Une corrélation multi-échelle des évolutions physiques, biologiques et chimiques grâce à une investigation multimodale à l'échelle mésoscopique ; (iii) La mise au point de capteurs et microcapteurs dont la portabilité (bas coût) est devenue possible grâce à la miniaturisation des capteurs et à une intelligence numérique intégrée ou déportée.

• De modèles de traitement et de simulation intégrant : (i) le design des capteurs et des microsystèmes (ii) l'extraction de grandeurs caractéristiques issues de données spatio-temporelles multi-physiques.

• De prototypes permettant d'envisager de nouvelles applications tant dans les transports, la sécurité, les cosmétiques que dans le suivi de pathologies ou le diagnostic précoce.

En termes d'animation scientifique, cet axe fédératif est organisé en deux thèmes de recherche « Capteurs, biocapteurs et bio-microsystèmes » et « Contrôle Non Destructif multi-modal ».