Nage dans les colonies de chaîne de diatomées

Swimming in diatom chain colonies

• Auteur / Autrice : Julien Le dreff
• Direction : Delmotte Blaise
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LADHYX - Laboratoire d'hydrodynamique

Mots clés

Mots clés libres

Diatomées

Ecoulements de Stokes

Modélisation numérique

Interaction fluide-structure

Micro-organismes

Suspensions actives

Diatoms

Stokes flows

Numerical modeling

Fluid-structure interaction

Micro-organisms

Active Suspensions

Résumé

La thèse portera sur la compréhension et la modélisation de la locomotion des chaînes de diatomées des eucaryotes unicellulaires essentiels aux écosystèmes océaniques et au cycle du carbone. Les diatomées, en particulier Bacillaria Paxillifer, forment des colonies de cellules rectangulaires empilées glissant les unes sur les autres, produisant des mouvements complexes. L'objectif principal est de déchiffrer les mécanismes de ces mouvements, leur efficacité mécanique et les dynamiques des fluides sous-jacentes. Des simulations numériques permettent de modéliser les colonies comme des assemblages de tiges rigides avec des mouvements de glissement parallèles. Les premiers résultats montrent que la direction et la vitesse de nage varient en fonction du glissement entre les cellules. En parallèle, des expériences microfluidiques avec des diatomées permettent de caractériser les mouvements des colonies et les écoulements générés. Un outil de post-traitement a été développé pour analyser les mouvements de glissement entre les cellules. La modélisation inverse permettra d'estimer les forces d'adhérence entre les cellules et le substrat, des paramètres très difficiles à mesurer avec des méthodes de mesure directes. L'utilisation de techniques d'intelligence artificielle, telles que l'apprentissage par renforcement, est envisagée pour découvrir des stratégies optimales de déplacement, exploitant pleinement les capacités de locomotion des micro-organismes et ouvrant des applications en microrobotique bio inspirée. En parallèle, nous étudierons les mouvements collectifs de Volvox, une microalgue verte sphérique. Les simulations viseront à reproduire les écoulements expérimentaux et à comprendre les motifs collectifs de formation de cristaux rotatifs actifs sous stimuli lumineux. Étudier les diatomées et les Volvox permet d'étudier deux modes distincts de locomotion et de comportement collectif. En conclusion, ce projet combinera théorie, simulations numériques et expériences pour élucider les mécanismes de locomotion des diatomées et des micro-organismes similaires, avec des implications vastes dans divers domaines scientifiques et technologiques.

The thesis will focus on understanding and modeling the locomotion of diatom chains in unicellular eukaryotes, which are essential to oceanic ecosystems and the carbon cycle. Diatoms, particularly *Bacillaria paxillifer*, form colonies of stacked rectangular cells that slide over each other, resulting in complex movements. The primary goal is to decipher the mechanisms behind these movements, their mechanical efficiency, and the underlying fluid dynamics. Numerical simulations will model the colonies as assemblies of rigid rods with parallel sliding motions. Initial results show that swimming direction and speed vary depending on the sliding between cells. In parallel, microfluidic experiments with diatoms will characterize the movements of colonies and the generated flows. A post-processing tool has been developed to analyze the sliding movements between cells. Inverse modeling will be used to estimate the adhesion forces between cells and the substrate, which are challenging to measure with direct methods. The use of artificial intelligence techniques, such as reinforcement learning, is considered to discover optimal movement strategies, fully exploiting the locomotion capabilities of microorganisms and opening applications in bio-inspired microrobotics. Concurrently, we will study the collective movements of *Volvox*, a spherical green microalga. The simulations will aim to reproduce experimental flows and understand the collective patterns of active rotational crystal formation under light stimuli. Studying diatoms and *Volvox* allows for the exploration of two distinct modes of locomotion and collective behavior. In conclusion, this project will combine theory, numerical simulations, and experiments to elucidate the locomotion mechanisms of diatoms and similar microorganisms, with broad implications across various scientific and technological fields.