| Titre : | Proposition d’un modèle global de coordination d’entités inspiré du quorum sensing des bactéries |
| Auteurs : | Nedjma Djezzar, Auteur ; Noureddine Djedi, Directeur de thèse ; Yves Duthen, Directeur de thèse |
| Type de document : | Thése doctorat |
| Editeur : | Biskra [Algérie] : Faculté des Sciences Exactes et des Sciences de la Nature et de la Vie, Université Mohamed Khider, 2020 |
| Autre Editeur : | Toulouse [France] : Institut de recherche en informatique de Toulouse (UMR 5505) : unité de recherche, école doctorale MITT : université de Toulouse 1 Capitole |
| Format : | 1 vol. (159 p.) / 30 cm |
| Langues: | Français |
| Mots-clés: | vie artificielle,autonomie,comportement distribué,auto-organisation,autorégulation,capacités de régénération,quorum sensing,métabolisme intégré,réseaux sans fil,messages de contrôle global |
| Résumé : |
La biologie est une riche source d'inspiration pour la conception d'artefacts digitaux capables de comportements autonomes, coopératifs et distribués. En particulier, des liens conceptuels peuvent être établis entre (1) des réseaux de communication sans fils et (2) des colonies de bactéries qui tweetent à l'aide de molécules de signalisation chimiques. L'objectif de cette thèse est donc de proposer un modèle multiagent computationnel distribué d'un système de communication bactérien inter-espèces, appelé quorum sensing, et d'analyser son autosuffisance et son aptitude à s'auto-organiser pour former des réseaux sans fil artificiels coopératifs. Plus précisément, nous proposons une approche multiagent « ascendante » associée à des équations différentielles ordinaires, qui représentent une abstraction des dynamiques intracellulaire, tel qu’un modèle proposé de métabolisme. Les résultats montrent l’émergence de comportements énergétiquement autosuffisants grâce au modèle de métabolisme proposé, qui permet aux bactéries de croitre, de se reproduire, d’interagir et de coopérer au niveau populationnel afin d’exhiber des comportements bénéfiques d’hétérogénéité phénotypique et une auto-organisation de la bioluminescence. Les résultats montrent également que les colonies de cellules bactériennes ont des capacités intrinsèques de régénération analysées dans le cas d'endommagement (mort cellulaire) réalisé dans une zone sélectionnée ainsi que dans le cas d’une mort cellulaire aléatoire. Les réseaux artificiels résultants présentent plusieurs propriétés bénéfiques et pourraient être utilisés pour l’émergence de topologies de réseaux sans fil résilients, sans l’utilisation des données de géolocalisation ni de messages de contrôle global (centralisé). De plus, l'évolution de la coopération lors du développement du réseau artificiel conduit à l'émergence de stratégies coercitives non prédites lors de la conception du système. Il a été démontré que la coercition est bénéfique pour le partage d’intérêts communs entre des variantes de coopérateurs dans le système ce qui permet à une connexion optimale au réseau de toute les cellules de la population. |
| Sommaire : |
Chapitre 1 : Introduction 1 1.1 Contexte de l’étude : Vie artificielle et Quorum sensing bactérien .......................... 1 1.1.1 Positionnement : Approche multicellulaire versus unicellulaire .................... 3 1.2 Intérêt de l’étude des bactéries, du Quorum sensing, de la coopération et comportement sociales des microbes 1.2.1 Intérêt de l’étude des bactéries .......................................................................... 4 1.2.2 Intérêt de l’étude du Quorum sensing ............................................................... 5 1.2.3 Intérêt de l’étude de la coopération et du comportement social des microbes 6 1.3 Travaux reliés et problématique ................................................................................ 7 1.3.1 Quorum sensing 1.3.2 Capacités de régénération ................................................................................... 9 1.3.3 Réseaux sans fils bio-inspirés pour des topologies auto-organisées ............ 10 1.4 Contributions 11 1.5 Structure du document 1.5.1 Chapitre 2 : Approche pour la vie artificielle ................................................... 12 1.5.2 Chapitre 3 : État de l’art des modèles de vie artificielle basés Quorum Sensing bactérien ..... 13 1.5.3 Chapitre 4 : Un modèle multi-agent computationnel du Quorum sensing pour l’émergence des réseaux sans-fils artificiels auto-organisés ..................... 13 1.5.4 Chapitre 5 : Expériences et résultats................................................................ 13 Chapitre 2 : Approches pour la vie artificielle .................................................................. 14 2.1 Vie artificielle 15 2.1.1 Définition 15 2.1.2 Origine de la vie artificielle et réflexions sur ses origines et la vie naturelle 16 2.1.3 Applications et problèmes à résoudre ............................................................. 17 2.1.4 Domaines connexes liés à la modélisation du vivant biologique ................... 19 2.1.5 Principales approches : classification .............................................................. 22 2.2 Approche multicellulaire : embryogenèse artificielle et ingénierie morphogénétique 24 2.2.1 Le vivant biologique multicellulaire ................................................................. 25 2.2.2 Modélisation multicellulaire : développement artificielle et ingénierie morphogénétique 28 2.3 Approche unicellulaire 30 2.3.1 Le vivant biologique unicellulaire .................................................................... 31 2.3.2 Bactérie et « intelligence » ................................................................................ 36 2.3.3 Modèles unicellulaires basés bactéries ............................................................ 37 2.4 Conclusion 40 Chapitre 3 : État de l’art des modèles de vie artificielle basés Quorum Sensing bactérien 3.1 Quorum sensing bactérien 3.1.1 Mécanisme général : un système capteur-régulateur ..................................... 45 3.1.2 Réponses phénotypiques au QS ........................................................................ 46 3.1.3 Définitions 47 3.1.4 Paradigmes de communication QS ................................................................... 48 3.1.5 Domaine de recherche pluridisciplinaire ........................................................ 50 3.2 Quorum sensing chez d’autres espèces ....................................................................... 52 3.2.1 QS chez les fourmis 3.2.2 QS chez les abeilles 3.3 Modèle de Vie Artificielles basés Quorum sensing bactérien ..................................... 53 3.3.1 Evolution digital d’organismes Avida .............................................................. 54 3.3.2 Cycle de vie de bactérie artificielle pour l'optimisation du comportement de recherche de nourriture 55 3.3.3 Membrane computing : QS P-system ............................................................... 55 3.3.4 Dynamique de regroupement « clustering » ................................................... 58 3.3.5 Robots et robot humanoïdes : problème d’optimisation et de synchronisation 3.3.6 Nano-robot et essaims de bio-robots ............................................................... 63 3.3.7 Théorie de l'information et stratégie de jeux .................................................. 65 3.3.8 Aide à la décision dans une équipe d’agents mobiles surveillant un champ de mines 67 3.3.9 Logic computing ..................................................................................... 69 3.3.10 Nanomachine computing .................................................................................. 69 3.3.11 Simulation 70 3.3.12 Autres modèles 3.4 Synthèse 72 3.5 Essai de classification et de comparaison ................................................................ 75 3.6 Conclusion 77 Chapitre 4 : Un modèle multi-agent computationnel du Quorum sensing pour l’émergence des réseaux sans-fils artificiels auto-organisés .................... 78 1.1 Objectifs 79 1.2 Architecture du modèle 1.3 Modèle des dynamiques cellulaire : modèle multiagent computationnel ............ 80 4.3.1 Quorum sensing : Modèle de communication intercellulaire ........................ 81 4.3.2 Cinétique de croissance et division cellulaire ................................................. 83 4.3.3 Bioluminescence : modèle de bioluminescence .............................................. 85 4.3.4 Métabolisme 87 4.3.5 Synthèse : programme de la cellule (organigramme) .................................... 89 1.4 Réseau de communication sans fil artificiel ............................................................ 90 4.4.1 Similitude entre réseau sans fil traditionnel et réseau basé QS ..................... 91 4.4.2 Différence entre un réseau sans fils traditionnel et un réseau basé QS ........ 91 4.4.3 La Lumière comme choix de modélisation pour établir les liens du réseau . 91 4.4.4 Définition du réseau sans fil artificiel basé QS ................................................ 92 1.5 Conclusion 95 Chapitre 5 : Expériences et résultats 5.1 Evolution des dynamiques cellulaires ..................................................................... 97 5.2 Dynamiques du quorum sensing .............................................................................. 97 5.2.1 Au niveau global et extracellulaire ................................................................... 98 5.3 Au niveau moléculaire intracellulaire : évolution de l’autoinducteur (AHL) ....... 99 5.4 Croissance exponentielle régulière ........................................................................ 100 5.5 Autorégulation de la bioluminescence et émergence de comportements autoorganisé 101 5.5.1 Au niveau moléculaire ..................................................................................... 101 5.5.2 Au niveau individuel ........................................................................................ 102 5.5.3 Au niveau populationnel ................................................................................. 104 5.5.4 Hétérogénéité phénotypique : Évolution de la gfp ....................................... 105 5.6 Évolution et régulation du métabolisme ............................................................... 106 5.6.1 Émergence du comportement d’autosuffisance en énergie stable et durable (steady state behavior) 106 5.6.2 Optimisation de la survie et autocontrôle de l’utilisation d’énergie et des ressources 108 5.7 Régénération et capacités de résistance aux attaques ......................................... 110 5.7.1 Régénération après mort cellulaire aléatoire ................................................ 110 5.7.2 Régénération après sélection d’une zone spécifique pour la mort cellulaire 5.8 Dynamiques du réseau artificiel ............................................................................. 111 5.8.1 Nombre de cellule de chaque type de noeud.................................................. 113 5.8.2 Nombre de liens 5.8.3 Nombre de cellules en réseau ......................................................................... 115 5.9 Coopération 115 5.9.1 Définition 116 5.9.2 Notion d’intérêt communs et de coopération bénéfique .............................. 116 5.9.3 Mesure de la coopération ................................................................................ 116 5.9.4 Émergence de stratégie coercitive ................................................................. 117 5.9.5 Stratégie coercitive, problème d’honnêteté et théorie de l’évolution ......... 119 5.9.6 Coopération et métabolisme : Coût énergétique de la coopération ............ 119 5.10 Étude comparative................................................................ 121 5.10.1 Organismes développés et environnement ................................................... 122 5.10.2 Contrôle décentralisé sans variables de contrôle global .............................. 122 5.10.3 Prise en compte du Métabolisme ................................................................... 124 5.10.4 Réseau sans fil artificiel et coopération ......................................................... 125 5.11 Discussions 126 5.11.1 Émergence de comportement multicellulaire avec « physiologie de groupe » 5.11.2 Métabolisme comme solution biologique au problème d’optimisation d’énergie dans les réseaux sans fil 127 5.11.3 Communication par bioluminescence dans la nature................................... 128 5.11.4 Quorum sensing versus processus de contamination pour modéliser la communication 128 5.12 Point forts, limites et points difficiles du modèles ................................................ 129 5.12.1 Points fort du modèle ...................................................................................... 129 5.12.2 Limites du modèle : le déterminisme du modèle mathématique ................ 131 5.12.3 Points difficiles 131 5.13 Conclusion 132 Chapitre 6 : Conclusion 133 6.1 Perspectives 135 Références ... 137 Annexe .......... 159 Table des Figures 160 Liste des tableaux 166 |
| En ligne : | http://thesis.univ-biskra.dz/4923/1/Th%C3%A9se.pdf |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut |
|---|---|---|---|
| TINF/148 | Théses de doctorat | bibliothèque sciences exactes | Consultable |
