Thèse Développement et Optimisation de Mécanismes Bistables Aspects Expérimentaux et Modélisation H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles Direction de la thèse : Lahouari BENABOU ORCID 0000000205755782 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59 Ce projet vise à concevoir des systèmes mécaniques bistables capables de maintenir ou de changer d'état d'équilibre en minimisant les contraintes énergétiques associées à leur activation ou à leur maintien. L'objectif principal est de développer une procédure d'optimisation permettant d'identifier des structures bistables répondant à un profil précis de déplacement et d'effort imposé. Contrairement aux mécanismes bistables classiques, généralement limités à un mouvement simple (translation ou rotation unidirectionnelle), l'innovation proposée consiste à générer une trajectoire spécifique et contrôlée lors du basculement entre deux configurations stables. Le travail débutera par une étude bibliographique portant sur les mécanismes bistables existants et sur les méthodes d'optimisation des structures, notamment l'optimisation topologique basée sur le calcul de sensibilité ainsi que les approches fondées sur l'intelligence artificielle, comme l'apprentissage par renforcement. Des modèles numériques adaptés seront ensuite sélectionnés et développés afin de simuler le comportement de ces systèmes, notamment à l'aide de méthodes par éléments finis dans un cadre multi-physique. Ces simulations permettront d'optimiser les paramètres de conception tels que la géométrie, la forme et les rigidités. Enfin, une validation expérimentale sera menée à travers la fabrication de prototypes par impression 3D et la réalisation d'essais visant à vérifier la pertinence et la performance des solutions proposées. Dans le cadre des travaux effectués au LISV sur la conception mécanique de structures robotiques, ce type de mécanismes pourrait être très intéressant afin d'assurer un comportement de déplacement précis entre deux configurations sans le besoin de contrôler précisément les actionneurs dédiés. Une application directe serait dans la reproduction de comportement biomécaniques humain au sein d'exosquelettes ou de prothèses. Certains mouvements nécessitent en effet une configuration spécifique et constante de la morphologie qui est typiquement maintenu par des actionneurs électro-mécaniques. Nous pouvons citer par exemple l'abduction de l'épaule pour prendre un objet et le déplacer au sein d'un même plan, ou bien l'opposition du pouce pour la préhension d'objets. Ces fonctionnalités pourraient être assurées passivement par une mécanisme bistable. La transition entre les deux positions stables n'est cependant par anodine, et doit parfois combiner translation et rotation dans l'espace (en 3D) en suivant une trajectoire prédéterminée. A cette problématique de trajectoire s'ajoute souvent la compacité nécessaire du mécanisme pour une intégration aisée au sein d'un système mécatronique complexe. Ces travaux s'attaqueront donc à étudier la conception mécanique de ces mécanismes particuliers. Dans le cadre de ce projet, nous souhaitons nous intéresser à la conception de systèmes bistables permettant de réduire au maximum les contraintes énergétiques associées au maintien ou à l'activation d'états d'équilibre dans les systèmes classiques. L'objectif principal est de développer une procédure d'optimisation permettant d'identifier des structures mécaniques bistables répondant à un profil précis de déplacement et d'effort devant être appliqués au système. Ceci pourra se faire par l'utilisation d'algorithmes d'optimisation topologique traditionnels ou en utilisant des méthodes d'apprentissage (apprentissage par renforcement par exemple). Il est à noter aussi que la plupart des mécanismes bistables existants assurent le déplacement (translation ou rotation) dans une seule direction. L'innovation de ce travail de recherche concerne la génération d'une trajectoire spécifique du mécanisme lors du basculement d'une configuration à l'autre. Le travail portera dans un premier temps sur une étude bibliographique des mécanismes bistables existants, permettant d'assurer des comportements complexes. Les méthodes d'optimisation des structures constitueront une seconde thématique de recherche bibliographique, avec un intérêt particulier pour les structures bistables (optimisation topologique basée sur le calcul de sensibilité ou l'IA).
Les modèles pertinents devront être sélectionnés et adaptés pour décrire au mieux, par la simulation, le comportement de tels systèmes. Des simulations de type éléments finis dans un contexte multi-physique seront ainsi menées dans le but d'optimiser les paramètres de conceptions (géométrie, forme, rigidités, etc.). Enfin, une partie expérimentale sera conduite (réalisation de prototypes optimisés par impression 3D et essais de validation des solutions proposée).

Le candidat devra posséder un diplôme de Master ou équivalent dans le domaine de la mécanique et des matériaux. Une expérience dans le domaine de la simulation par éléments finis est nécessaire, ainsi qu'une connaissance des outils de simulation numérique (Python, Matlab). Le candidat sera amené à travailler avec des chercheurs de profils différents dans un champ multidisciplinaire, et devra donc posséder de bonnes capacités de communication et de synthèse.