Thèse Lois Universelles et Contrôle Proprioceptif de la Nage Ondulatoire H/F - 40

Établissement : Université Côte d'Azur
École doctorale : SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées
Laboratoire de recherche : INPHYNI - Institut de Physique de Nice
Direction de la thèse : Médéric ARGENTINA ORCID 0000000289267398
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-24T23:59:59

Cette thèse se situe à l'interface entre mécanique des fluides, dynamique non linéaire et robotique, et sera co-encadrée par des chercheurs d'INPHYNI (hydrodynamique, modélisation théorique, simulations numériques et expérimentations fines) et d'I3S (robotique, systèmes embarqués, mécatronique et contrôle temps réel) à l'Université Côte d'Azur. Elle s'appuie sur des résultats internationalement reconnus dans le domaine de la nage ondulatoire et des interactions fluide-structure, incluant deux publications dans des revues Nature et une dans PNAS par le coordinateur scientifique sur ces thématiques. La thèse vise à prolonger ces avancées en articulant compréhension fondamentale et implémentation robotique autonome.

La nage ondulatoire constitue l'un des modes de propulsion les plus répandus chez les vertébrés aquatiques. Si des lois d'échelle récentes ont permis d'unifier les performances de nage sur près de huit ordres de grandeur en nombre de Reynolds, des questions fondamentales demeurent ouvertes concernant l'optimisation énergétique, la sélection des allures et l'émergence du mouvement à partir de boucles sensori-motrices locales. L'objectif de la thèse est d'établir des lois prédictives et interprétables reliant poussée, traînée, vitesse, morphologie, fréquence d'oscillation et coût énergétique, puis d'incarner ces principes dans un robot poisson biomimétique autonome.

Le doctorant développera des modèles théoriques et réduits fondés sur une analyse adimensionnelle (nombres de Reynolds, de Strouhal et élasto-inertiels) afin de décrire l'efficacité propulsive et les bilans énergétiques. Ces modèles seront confrontés à des simulations numériques haute fidélité, incluant des simulations directes des équations de Navier-Stokes et des calculs d'interaction fluide-structure réalisés sous COMSOL (formulation ALE). En parallèle, des expériences contrôlées seront menées sur une plateforme robotique souple développée à INPHYNI. Les efforts hydrodynamiques seront mesurés via des capteurs force-couple et la puissance électrique consommée sera analysée afin d'établir des budgets énergétiques quantitatifs. Des outils d'analyse avancée, incluant la quantification des incertitudes et l'extraction de modèles à partir des données, garantiront la robustesse des conclusions physiques.

Un axe central de la thèse consiste à mettre en oeuvre une architecture de contrôle proprioceptive, dans laquelle l'allure de nage émerge d'une boucle de rétroaction locale plutôt que d'une cinématique imposée. Le robot sera équipé de jauges de déformation, d'unités de mesure inertielle et de capteurs de pression. INPHYNI développera des lois de rétroaction retardée fondées sur la courbure, inspirées des mécanismes biologiques et de la dynamique non linéaire. I3S concevra l'architecture embarquée, le traitement temps réel des signaux, la commande des actionneurs et les modules d'autonomie. L'intégration étroite entre modélisation physique et implémentation robotique constitue le coeur interdisciplinaire du projet.

L'interaction entre INPHYNI et I3S est structurante : les lois issues de l'hydrodynamique guideront la conception du contrôle embarqué, tandis que les contraintes mécatroniques et robotiques alimenteront en retour la modélisation théorique. Cette approche bidirectionnelle garantit une interdisciplinarité réelle et cohérente.

Le doctorant acquerra une double compétence rare en interactions fluide-structure, dynamique non linéaire, instrumentation expérimentale, conception robotique et contrôle autonome embarqué. Les retombées attendues incluent l'identification de lois énergétiques prédictives, la validation expérimentale de stratégies de nage proprioceptives et des gains mesurables d'efficacité (objectif 10-20 %) par rapport à des cinématiques imposées. Au-delà des avancées fondamentales, la thèse contribuera au développement de robots sous-marins sobres en énergie et de plateformes biomimétiques pour le suivi environnemental.

La nage ondulatoire est l'un des principaux modes de propulsion des vertébrés aquatiques, des poissons aux mammifères marins. Depuis les travaux fondateurs de Lighthill et Bainbridge, la production de poussée et les relations entre fréquence, amplitude et vitesse ont été largement étudiées. Des lois d'échelle récentes ont permis d'unifier ces performances sur une large gamme de tailles et de nombres de Reynolds.

Cependant, les mécanismes physiques gouvernant la sélection des allures et l'optimisation énergétique restent incomplètement compris. En particulier, le rôle des interactions fluide-structure couplées à des boucles sensori-motrices locales est encore peu exploré. Par ailleurs, la plupart des robots biomimétiques reposent sur des cinématiques imposées, limitant leur adaptabilité.

Dans ce contexte, le projet propose de combiner modélisation hydrodynamique, simulations numériques, expérimentations sur robot souple instrumenté et développement de contrôle embarqué, afin de relier lois physiques fondamentales et autonomie robotique.