Forme, formation, déformation de Gorgonia ventalina

Form, formation, deformation of Gorgonia ventalina : shape properties of spatial growing reticulated 2D trees in their mechanical environment

• Auteur / Autrice : Paul Valcke
• Direction : Stéphane Douady, Pascal Jean Lopez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques et analytiques
• Date : Soutenance le 09/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Katifori
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eleni Katifori, Emmanuel de Langre, Mokhtar Adda-Bedia, Eric Pante, Marc Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel de Langre, Mokhtar Adda-Bedia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Allométrie

Polymères réticulés

Morphogenèse

Gorgones (animaux)

Mots clés libres

Gorgones

Réseaux réticulés

Analyse d’image

Allometrie

Déformation

Intéraction fluide-structure

Morphogénèse

Réseaux spatiaux

Acclimatation

Perception

Gorgonians

Reticulated network

Image analysis

Allometry

Deformation

Fluid-structure interaction

Morphogenesis

Spatial network

Acclimation

Perception

Résumé

Dans cette thèse est proposé une analyse interdisciplinaire de Gorgonia ventalina, un organisme modulaire sessile marin de faible profondeur et fortement déformable par la houle. L'une des spécificités de Gorgonia ventalina par rapport aux autres gorgones est sont très fort taux d'anastomose, donc de branches qui réticulent : au lieu d'une forme d'arbre en trois dimension, l'organisme prend la forme de réseaux 2D verticaux avec un pied. L'objectif est de caractériser les gorgones via leur forme pour en déduire leurs mécanismes de croissances, de perception et d'acclimatation à leur environnement mécanique. Deux approches sont principalement utilisées : une caractérisation numérique de la forme des gorgones, ainsi qu'un ensemble d'expérience mécanique de déformation et dissipation sur des gorgones dans des écoulements. Après une présentation de gorgonia ventalina et des problématiques liées (chapitre 1), je montre en quoi la notion de voie dans un réseau, soit un ensemble d'arcs localement reliés et correspondant au processus de croissance des gorgones, permet une lecture de la forme (chapitre 2). Je développe une méthode numérique permettant d'extraire ce réseau de voies depuis une image (chapitre 3), et montre l'existence d'un ensemble de propriétés non-triviales et robustes sur les structures réticulées (chapitre 4). On introduit la notion de branche et de plume (chapitre 5) comme un raffinement des voies qui permet de montrer l'existence de tropisme et de compétition dans les mécanismes de croissance de la forme. La mise en avant de points aveugle à l'analyse par voies permet de montrer l'existence de mécanismes de croissances liés à la déformation par la houle et à la mécanique des gorgones, que l'on explore via des modèles théoriques et des mesures numériques (chapitre 6). Le dernier chapitre est orienté sur la mesure physique des propriétés mécaniques en déformation et frottement des gorgones (chapitre 7).

In this thesis is proposed an interdisciplinary analysis of Gorgonia ventalina, a modular sessile marine organism living in shallow depth and highly deformable by the swell. One of the specificities of Gorgonia ventalina compared to the other gorgonians is its very high rate of anastomosis, therefore of reticulating branches : instead of a three-dimensional tree shape, the organism takes the form of 2D vertical networks with one basis. The objective is to characterize gorgonians using their shape in order to deduce their growth mechanisms, perception and acclimatization to their mechanical environment. Two approaches are mainly used: a numerical characterization of the shape of the gorgonians, as well as a set of mechanical experiments of deformation and dissipation on gorgonians in flows. After a presentation of gorgonia ventalina, its related species and properties (chapter 1), I show how the notion of ways in a network, i.e. a set of locally connected arcs correspond to the growth process, which allows a reading of the shape (chapter 2). I develop a numerical method to extract this network of channels from an image (chapter 3), and shows the existence of a set of non-trivial and robust properties on reticulated structures which concerns also cities and cracks patterns (chapter 4). We introduce the notion of branch and feather (chapter 5) as a refinement of the waysn which allow us to show the existence of tropism and competition in the growth mechanisms of the form. This reduction to a simple primary growth has blind spots in the pathway analysis, which allow us to show the existence of growth mechanisms related to wave deformation and gorgonian mechanics, that we explore through theoretical models and numerical measurements (chapter 6). The last chapter focuses on the physical measurement mechanical properties in deformation and friction of the gorgonians (chapter 7).