Olfaction active bioinspirée de vapeurs pour la détection de substances spécifiques

Bioinspired active olfaction of vapors for the detection of specific substances

• Auteur / Autrice : Nicolas Claverie
• Direction : Pierrick Buvat, Jerôme Casas
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Science des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 05/04/2022
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Synthèse Formulation et Détection
• Jury : Président / Présidente : Lionel Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrizia D’Ettorre, Dominique Martinez, Pierrick Buvat, Jérôme Casas, Jean-Christophe Sandoz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrizia D’Ettorre, Dominique Martinez

Mots clés

Mots clés libres

Bioinspiration

Olfaction

Insectes

Mécanique des fluides

Détecteurs d'explosifs

Simulation numérique

Bioinspiration

Olfaction

Insects

Fluid mechanics

Explosive detectors

Numerical simulation

Résumé

La sécurisation des lieux publics contre des actions de malveillance nécessite de mettre en place un arsenal de mesures, dont des moyens de détection précoce tels que, par exemple, des détecteurs de substances explosives. Une nouvelle génération de ces détecteurs, portables et polyvalents, se déploie progressivement sur le marché. Cette thèse a pour objectif l'étude d'un de ces détecteurs, le T-REX(TM) développé par le CEA, ainsi que l'amélioration de ses performances de prélèvement d'odeur par une approche bioinspirée. Les travaux réalisés ont ainsi porté sur l'analyse des caractéristiques du flux d'aspiration d'air du détecteur en utilisant la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) et sa confrontation avec le flux d'air généré par les mouvements antennaires d'un insecte en réaction à différents stimuli olfactifs. La première partie de cette thèse a donc consisté à évaluer les performances intrinsèques du détecteur T-REX(TM), très performant pour la détection au contact, mais avec une portée de mesure limitée. Dans une seconde partie, le comportement du bourdon Bombus terrestris et notamment les mouvements de ses antennes dans un flux d'odeur ont été étudiés. Pour cela, ces mouvements ont été imagés par une caméra haute vitesse et reconstruits en 3D par un réseau de neurones profond. L'influence des comportements identifiés par cette étude sur les performances olfactives de l'insecte a ensuite été quantifiée par des simulations numériques validées par des mesures de PIV sur des antennes mécaniques. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, le système d'aspiration du détecteur T-REX(TM) a été modifié afin de générer des flux d'air inspirés des phénomènes créés par les mouvements antennaires des bourdons et mis en évidence dans les simulations et les mesures de PIV. Un prototype bioinspiré imprimé en 3D agissant activement sur le flux de capture du détecteur T-REX(TM) a ainsi été développé et testé. Ce nouveau concept de nez artificiel, très générique et encore perfectible, montre une amélioration significative des performances de prélèvement d'odeurs à distance. Cette thèse ouvre ainsi de nouvelles pistes d'amélioration pour les détecteurs d'odeurs portables.

Securing public places against malicious acts requires the implementation of an arsenal of measures, including early detection means such as, for example, explosive detectors. A new generation of these detectors, portable and versatile, is gradually being deployed on the market. The objective of this thesis is to study one of these detectors, the T-REX(TM) developed by the CEA, and to improve its performance in odor sampling by a bioinspired approach. Our work thus focused on the analysis of the characteristics of the airflow generated by the detector using particle image velocimetry (PIV) and its confrontation with the airflow generated by the antennal movements of an insect in reaction to various olfactory stimuli. The first part of this thesis consisted in evaluating the performances of the T-REX(TM) detector, very efficient for contact measurements, but with a limited detection range. In a second part, the behavior of the bumblebee Bombus terrestris and specifically the movements of its antennae in an odor flow were studied. For this, these movements were imaged by a high-speed camera and reconstructed in 3D by a deep neural network. The influence of the behaviors identified by this study on the olfactory performance of the insect was then quantified by numerical simulations validated by PIV measurements on mechanical antennas. Finally, in the last part of this thesis, the sampling system of the T-REX(TM) detector was modified to generate airflows inspired by the phenomena created by the antennal movements of bumblebees and highlighted in the simulations and PIV measurements. A 3D printed bioinspired prototype actively acting on the capture flow of the T-REX(TM) detector was thus developed and tested. This new concept of artificial nose, very generic and still perfectible, shows a significant improvement of the sampling range of the device. This thesis thus proposes new avenues of improvement for portable odor detectors.