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The coding of tactile information, as opposed to visual and acoustic, is still misunderstood. This PhD work is focused on the initial phenomena which lead to emit an opinion on the perception of an explored surface. The originality of the work relies on four methodological pillars: (i) the complete characterization of the finger pad properties; (ii) the elaboration and characterization of a variety of determinist textured surfaces at the sub-millimeter scale; (iii) the in vivo characterization of the frictional and vibratory behavior of the contact between a finger pad and a textured surface together with a numeric study on the contact mechanics; (iv) the characterization of the tactile perception by a panel of volunteers. It is shown that even though the surfaces are textured, the friction coefficient between these surfaces and a human finger is mostly driven by adhesion in the contact. A second major outcome concerns the physical phenomena which influence the tactile perception. First, it appears that the textured surfaces used in this study can be discriminated according to three psycho-perceptive dimensions: “slippery”, “vibrating” and “rough”. Then, the intensity of the slippery perception is solely driven by the friction coefficient, while the vibrating perception is driven by both the friction coefficient and the friction induced vibrations. Finally, the intensity of the roughness perception depends solely geometric features of the texture asperities.; Contrairement aux sens visuels et auditifs, le codage de l’information tactile est encore méconnu. Dans cette thèse de doctorat, nous nous intéressons aux phénomènes initiaux conduisant l’individu à émettre un jugement sur sa perception de la surface explorée. Dans ce champ d’étude, l’originalité de notre démarche s’appuie sur l’emploi et la confrontation, de quatre piliers méthodologiques : (i) la caractérisation fine des propriétés in vivo du doigt ; (ii) la réalisation et la caractérisation d’une variété de surfaces texturées déterministes définies à l’échelle submillimétrique ; (iii) la caractérisation in vivo du comportement frictionnel et vibratoire du contact doigt/texture, couplée à une étude numérique de la mécanique de ce contact ; (iv) la quantification de la perception tactile d’un groupe d’individus. Ces recherches ont permis notamment de mettre en évidence que, bien que les surfaces soient texturées, le coefficient de frottement entre celles-ci et un doigt humain est majoritairement piloté par l’adhésion entre les deux surfaces. Un second résultat majeur issu de ces recherches porte sur l’identification des phénomènes physiques à l’origine de la perception tactile. Nous avons d’abord montré que les surfaces texturées utilisées sont à l’origine de trois dimensions psycho-perceptives : « glissant/bloquant », « vibrant/calme » et « rugueux/lisse ». Nos mesures ont ensuite permis de montrer que l’intensité de la perception du glissement est pilotée uniquement par le coefficient de frottement, tandis que celle de la perception des vibrations l’est à la fois par le coefficient de frottement et par les vibrations induites par frottement. Finalement, l’intensité de la perception de la rugosité dépend uniquement de la dimension des aspérités composant les textures.

Des études suggèrent que certaines capacités sensorielles peuvent être augmentées chez l’humain, soit i) à la suite d’un entraînement ou ii) à la suite de privation sensorielle précoce. Des études suggèrent qu’une telle altération sensorielle peut être retrouvée chez les personnes ayant subi un entraînement musical. L’interaction entre ce qui est entendu et ressenti est spécialement importante lorsqu’un individu joue d’un instrument de musique. L’entraînement musical est reconnu comme étant une forme d’entraînement multisensoriel incluant des interactions entre des composantes auditives, visuelles et tactiles. Celui-ci peut mener à des réorganisations anatomiques et structurelles dans les régions corticales associées à ces modalités sensorielles. Plusieurs études comportementales ont révélé des habiletés de détection tactile améliorées chez les musiciens. Il est toujours incertain que ces améliorations puissent être retrouvées lors de processus plus complexes tels que la reconnaissance des émotions. Une autre population d’étude pourrait aussi révéler une altération des capacités tactiles, soit les personnes sourdes de naissance. Des études en imagerie ont révélé que les stimuli vibrotactiles activaient les régions auditives chez les personnes sourdes, suggérant ainsi une importante réorganisation tactile chez ces individus. Pourtant, au niveau comportemental, les capacités de détection tactile semblent similaires aux contrôles. Récemment, il a été suggéré que des processus tactiles plus complexes pourraient permettre de révéler des différences comportementales entre les personnes sourdes et entendantes. Malheureusement, tout comme chez les musiciens, ces processus n’ont toujours pas été évalués à ce jour. L’objectif principal de cette thèse est donc d’évaluer i) la perception unisensorielle tactile, auditive ainsi que multisensorielle chez les musiciens et ii) la perception unisensorielle tactile chez les sourds à l’aide de tâches non-musicales et musicales. Chez les musiciens, les résultats de cette thèse suggèrent des capacités de discrimination fréquentielle auditive, tactile et audiotactile améliorées (étude 1) ainsi que des améliorations de la perception d’émotions musicales complexes auditive et tactile (étude 2). Ces études supportent l’hypothèse qu’une formation musicale à long terme : i) entraîne une amélioration des capacités unisensorielles auditives et tactiles, mais surtout que celle-ci s’étend à des processus tactiles complexes, ii) a un impact à tous les niveaux hiérarchiques du traitement sensoriel et cognitif. Chez les individus sourds, les résultats ont révélé un plus haut taux d’erreurs lors de la tâche de détection d’ordre temporel tactile (étude 3). Ce résultat suggère que la cartographie spatiale du toucher est altérée chez les individus sourds. De plus, l’étude ayant mesuré la perception des émotions tactiles a révélé que ceux-ci sont capables d’identifier des émotions via la modalité tactile seule et ont même une capacité améliorée à identifier la joie (étude 4). Cette capacité accrue à percevoir la joie dans une mélodie via la modalité tactile illustre que des habiletés tactiles complexes peuvent être améliorées suite à une privation auditive de longue date. Ces deux études mises en commun illustrent que des capacités tactiles complexes non-musicales et musicales sont altérées chez l’individu sourd, ce qui supporte les études suggérant une réorganisation corticale des aires auditives et tactiles chez les individus sourds., Studies suggest that some sensory abilities may be increased in humans, either i) following training or ii) following early sensory deprivation. Studies suggest that such sensory alteration can be found in people who have undergone musical training. The interaction between what is heard and felt is especially important when an individual is playing a musical instrument. Musical training is well-known as a form of multisensory training that includes interactions between auditory, visual and tactile modalities. This can lead to anatomical and structural reorganizations in the cortical regions associated with these sensory systems. Several behavioral studies have revealed improved tactile perception skills in musicians. It is still unclear whether these improvements can be found for more complex processes, such as recognition of emotions. Similar alteration of tactile abilities may also be found in another population, namely early-deaf individuals. Imaging studies have shown that vibrotactile stimuli activate auditory regions following deafness, suggesting a significant tactile reorganization of their cortex. Yet, from a behavioral point of view, tactile perception in deaf seems similar to controls. Recently, it has been suggested that more complex tactile processes may reveal behavioral differences between deaf and normal-hearing individuals. Unfortunately, similarly to musicians, these processes have not been investigated to date. The main objective of this thesis is therefore to evaluate via non-musical and musical tasks i) tactile, auditory and multisensory perception of music among musicians and ii) tactile perception of music among deaf individuals. For musicians, results of this thesis suggest enhanced auditory, tactile and audio-tactile frequency discrimination capabilities (Study 1). Also, results suggest an increase perception of emotions in music, which suggests improvements for complex auditory and tactile abilities (Study 2). These studies support the hypothesis that long-term musical training: i) leads to improved auditory and tactile perception, but especially that it extends to complex tactile processes, ii) has an impact at all hierarchical levels of sensory and cognitive processing For deaf individuals, results revealed a higher error rate during the tactile temporal order detection task (Study 3). This result suggests that spatial mapping of touch is impaired in deaf individuals. In addition, the study measuring tactile perception of emotion in music revealed that they are able to identify emotions via tactile modality solely. Also, improvements were found for the identification of happy emotion via tactile modality solely (Study 4). This increased ability to perceive happiness in a melody via the tactile modality illustrates that complex tactile skills can be improved following longstanding hearing deprivation. These two studies together suggest that complex non-musical and musical tactile abilities are altered in the deaf individual, which supports studies suggesting a cortical reorganization of auditory and tactile areas following long-term auditory deprivation.

International audience; Le défi des soins en néonatalogie est de surmonter la discontinuité transnatale (c'est-à-dire entre les périodes prénatale et néonatale) qui est accentuée lors d'une naissance prématurée et a fortiori source de risques. Pour ce faire, des interventions thérapeutiques sont proposées dans les services de néonatologie. Elles impliquent fréquemment des stimula-tions sensorielles tactiles fondées sur l'importance de cette modalité pour le développement physique et psychologique, le bien-être et le lien d'attachement du nouveau-né humain. Pourtant, en dépit du développement précoce de la modalité tactile et de son rôle critique dans les interactions avec l'en-vironnement, nous manquons encore de connaissances fon-damentales pour comprendre son fonctionnement et ses implications à long terme sur le développement moteur, émotionnel, cognitif et social. Ces connaissances sont atten-dues des praticiens qui souhaitent proposer des interventions thérapeutiques novatrices et adaptées aux capacités de ces nouveau-nés. Ainsi, nous proposons de tirer parti des com-pétences tactiles précoces des nouveau-nés prématurés, tel-les que leurs réponses d'orientation, pour caractériser les interactions entre la perception tactile, les soins de dévelop-pement et les méthodes de prise en charge de la douleur. L'évaluation et la compréhension de ces interactions sont en effet nécessaires pour envisager des stimulations senso-rielles tactiles préventives et thérapeutiques pour les soins néonatals, qui respectent l'équilibre entre les avantages à court terme et les conséquences à long terme. Mots clés Perception tactile · Néonatalogie · Douleur · Soins de développement Abstract The challenge of neonatal care is to overcome the risks posed by the transnatal discontinuity, particularly in case of premature birth when this discontinuity occurs at a non-optimal time in development. For this reason, sensory therapeutic interventions are proposed in Neonatology units. They frequently involve tactile stimulation, based on the importance of the tactile modality for physical and psychological growth, well-being and bonding of the human neo-nate. However, despite the early development of the tactile modality and its critical role in neonatal interactions with the environment, we still lack fundamental knowledge of its functioning and long-term implications on motor, emotional, cognitive, and social development. This knowledge is needed for clinicians to propose innovative therapeutic interventions , adapted to the capabilities of premature neonates. Therefore , we propose to take advantage of tactile processing abilities in preterm neonates, like their orienting responses, to characterize interactions between tactile perception, developmental care, and pain management methods. Evaluation and understanding of these interactions are indeed necessary to imagine preventive and therapeutic tactile interventions for neonatal care, which respect the balance between short-term benefits and long-term effects.

The neuroconstructivist theoretical framework of cognitive development, taking into account the variability of the constraints that act from the conception to shape development, is relevant to consider the early influence of sensory experiences on the neurobehavioral development of preterm neonates. They evolve in a particular environment and are vulnerable to neurodevelopmental disorders, to which atypical tactile and temporal processing are associated. The aim of the thesis is to study tactile and temporal abilities in preterm newborns and to evaluate the effect of the early environment on these perceptions. We included 61 preterm neonates (born between 32 and 34 weeks of gestational age (wGA)). At 35 weeks of corrected gestational age, we measured orienting responses (forearm, hand, and fingers movements) during vibrotactile stimulation of their hand and forearm, during a habituation and dishabituation paradigm, the dishabituation being either a location change or a pause in the stimulation sequence. Preterm newborns displayed a manual orienting response to vibrotactile stimuli which significantly decreased when the stimulus was repeated, regardless of the stimulated location on the limb. Habituation was delayed in subjects born at a younger gestational age, smaller birth weight, and having experienced more painful care procedures. Preterm neonates perceived changes in stimulus location and interstimulus time interval, suggesting a prenatal development of temporal processing capacities. These temporal processing abilities and their use to generate sensory prediction are being evaluated in a second study. 19 premature neonates (born between 31 and 32wGA) were presented with a tactile sequence (regular or irregular) at 33 and 35 weeks of corrected GA. Variations in cerebral blood flow were measured. At both corrected GA, tactile stimuli are associated with a hemodynamic response in the primary somatosensory cortex. At 33 weeks of corrected GA, omissions in the sequence are associated with an increase in cerebral blood flow, which indicates that premature neonates form sensory predictions, regardless of their experimental group. This thesis work allows to better characterize the tactile and temporal processing abilities in premature neonates, which lack recent and thorough investigation. In addition, it provides rational arguments that could help to propose sensory therapies to these patients, based on their perceptual abilities.; Le cadre neuroconstructiviste du développement cognitif, en considérant la variabilité des contraintes qui agissent dès la conception et façonnent le développement, apparaît pertinent pour considérer l’influence des expériences sensorielles précoces sur le développement neurocomportemental des nouveau-nés prématurés. Ils évoluent dans un environnement particulier et ont une vulnérabilité aux troubles neurodéveloppementaux, auxquels des atypies du traitement tactile et temporel sont associées. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les compétences tactiles et temporelles des nouveaux nés prématurés, et d’évaluer l’effet de l’environnement précoce sur ces perceptions. La perception tactile passive et la cognition ont été étudié auprès de 61 nouveau-nés prématurés (nés entre 32 et 34SA) à 35 semaines d’âge corrigé. Les réponses d’orientation manuelle lors de stimulations tactiles passives du membre supérieur ont été mesurées lors d'un paradigme d’habituation et de déshabituation (changement de localisation ou pause dans la séquence de stimulation). Les prématurés montrent une réponse d'orientation manuelle aux stimuli, qui diminue lors de la répétition, indépendamment de son emplacement sur le bras. L'habituation est retardée chez les sujets nés le plus tôt, à un petit poids et ayant vécu davantage d’expériences douloureuses. Enfin, les prématurés perçoivent les changements de localisation du stimulus et l'intervalle interstimulus, ce qui suggère un développement prénatal des capacités de traitement temporel. Ces capacités de traitement temporel et leur utilisation pour générer une prédiction sensorielle ont été évaluées au cours d’une seconde étude. 19 nouveau-nés prématurés (nés entre 31 et 32 SA) ont été soumis à une séquence tactile (régulière ou irrégulière) aux âges corrigés de 33 et 35 SA. Les variations de flux sanguin cérébral été mesurées. Aux deux âges corrigés, les stimuli tactiles sont associés à une réponse hémodynamique au sein du cortex somatosensoriel. À 33 semaines d’âge gestationnel corrigé les omissions dans la séquence sont associées à une augmentation du flux sanguin cérébral, qui indique que les prématurés forment des prédictions sensorielles, indépendamment du groupe expérimental. Ce travail de thèse permet de mieux caractériser les capacités de traitement tactile et temporel des nouveau-nés prématurés, qui manquent d’investigations récentes et approfondies. De plus, il apporte des arguments rationnels qui pourraient permettre de proposer des thérapies sensorielles à ces patients, basées sur leurs capacités de perception.

Far from being a mere envelope around our bodies, the skin forms a mechanical, physical, chemical and immunological barrier. This protective task falls in large part in the outermost layer, the stratum corneum. However, in our daily lives, the repeated friction of cellulose tissues against the skin surface may induce discomfort feelings and cutaneous reactions. In particular, during colds, the repeated friction of tissues could compromise the skin around the nose and induce painful irritation. This work is about meeting consumer needs in terms of softness and user comfort of cellulose tissues. To this end, the study was decomposed into two main parts. The first part was devoted to the quantification of the tactile quality of the tissues. The second one was interested in the skin/tissue interaction and the potential irritant effect during the repeated friction. In order to quantify the sensorial quality of tissues, we developed an artificial finger that mimics the human touch. This device enables the measurement of the friction coefficient of the tissue against the skin surface, and the evaluation of the generated vibrations. On one hand, the results showed that the vibrations were a good indicator of the softness of a tissue. In another hand, we showed that the friction coefficient was related to the surface texture of the tissue. These key results allowed us to have a rapid, simple and reproducible method to evaluate the tactile quality of a tissue. This method is very useful for the paper industry which was previously using expensive and time-consuming sensorial panels. In the second part of the thesis, we studied the cutaneous reactions induced by the repeated friction of tissues with different softnesses. This study was performed in vivo, on 59 volunteers of the laboratory. Two innovative devices were developed. First, an in vivo rotary tribometer was developed to reproduce the repeated friction of the tissue onto the skin. The advantage of this device is the full control of the friction parameters such as the applied normal force, the sliding velocity and the duration of the test. In order to evaluate the cutaneous reactions, we developed a contactless indentation device which is able to measure the mechanical properties of the skin. The results showed that the cutaneous reactions were higher when the paper was unsoft. The cutaneous irritation was visible through the increase of the trans-epidermal water loss, the redness and the blood flow of the skin and through the decrease of its mechanical properties. Beyond the findings, during the thesis, we developed new innovative and effective methods to characterise the tactile quality of tissues and evaluate the cutaneous reactions induced by the repeated friction of them on the skin.; Loin d’être une simple enveloppe pour notre corps, la peau constitue une frontière mécanique, physique, chimique et immunologique d’une remarquable efficacité. Cette fonction est en grande partie assurée par la couche la plus superficielle de la peau, appelée stratum corneum. Néanmoins, dans la vie de tous les jours, le frottement répété de la peau contre des surfaces textiles peut engendrer l’apparition de sensations d’inconfort et d’irritation cutanée. En particulier, en période de rhume, les frottements à répétitions des mouchoirs en papier sur le nez fragilisent la peau et peuvent provoquer des irritations parfois douloureuses. Ce travail vise à répondre aux attentes des consommateurs en termes de confort à l’usage des papiers en cellulose. Pour cela, l’étude a été décomposée en deux grands axes. Actuellement, le confort à l’usage est évalué par des panels sensoriels couteux, chronophages et surtout subjectifs. La première partie a donc été dédiée à l’objectivation des qualités tactiles des papiers en cellulose grâce au développement d’un dispositif expérimental. La seconde s’est intéressée à l’interaction entre la peau et les papiers, et au potentiel effet « irritant » lors du frottement répété. Cette étude a été menée sur un panel de volontaires in vivo et avait pour but de trouver une méthode capable de reproduire le frottement répété de papiers en cellulose en laboratoire, dans un temps limité et avec des paramètres de frottement bien contrôlés. Dans le but de quantifier la qualité sensorielle des papiers en cellulose, nous avons développé un système de doigt artificiel capable de mimer le comportement du doigt humain. Ce dispositif permet de mesurer le coefficient de frottement à l’interface doigt/papier et les vibrations générées lors du toucher. D’une part, nos résultats ont montré que les vibrations générées étaient un bon indicateur de la douceur du papier en cellulose. D’autre part, nous avons démontré que le coefficient de frottement était relié à la pilosité surfacique du papier. Ces résultats majeurs nous ont permis d’avoir une méthode quantitative de la qualité tactile des papiers. Il s’agit d’une méthode simple, rapide et reproductible qui a tout son intérêt pour l’industrie papetière qui, jusque-là utilisait des panels sensoriels onéreux et chronophage pour évaluer la qualité sensorielle de ses papiers. Dans une seconde grande partie, nous avons étudié l’irritation cutanée induite par le frottement de papiers en cellulose de différentes douceurs sur un panel de 59 volontaires. Cette partie a nécessité le développement de deux dispositifs expérimentaux. Tout d’abord, un biotribomètre rotatif a été développé pour reproduire le frottement répété de papier contre la peau. L’avantage de ce dispositif est qu’il permet de contrôler les paramètres de frottement (force normale appliquée sur la peau, vitesse de frottement et durée du test). Pour évaluer les réactions cutanées et l’endommagement du stratum corneum, nous avons développé un système d’indentation sans contact capable de mesurer les propriétés mécaniques de la peau. Les résultats ont montré que l’irritation de la peau induite par le frottement répété de papier était plus importante pour des papiers moins doux. Cette irritation est visible à travers une augmentation de la perte insensible en eau de la peau, de la rougeur et du flux sanguin et une diminution de ses propriétés mécaniques.

Seeing the speaker’s articulatory gestures significantly enhances auditory speech perception. A key issue is whether cross-modal speech interactions only depend on well-known auditory and visual inputs from the speaker’s voice and face or, rather, might also be triggered by other sensory sources less common in speech communication, such as tactile information or vision of the tongue movements. Another goal of the present research was to determine the possible role of the motor system in these multisensory processes. Finally, we used electro-encephalographic, functional magnetic resonance imaging and transcranial magnetic stimulation techniques in order to better understand the time course and the functional neuroanatomical organization of these integration mechanisms. Our results extent the concept of “multisensory speech perception” by highlighting a facilitation of auditory processes during audio-haptic speech perception as well as during the observation of our own articulatory movements. They also provide new evidence in favor of a functional role of the motor system in speech perception by demonstrating an increase of motor activity during visuo-lingual speech perception and a more bilateral ventral premotor cortex recruitment during speech perception across aging. Taken together, our results reinforce the idea of a functional coupling and a co-structuring of speech perception and production systems. Our work support the existence of connections between sensory, integrative and motor regions allowing the implementation of multisensory, sensorimotor and predictive processes in the perception and understanding of speech actions., Voir les gestes articulatoires de son interlocuteur permet d’améliorer significativement le décodage et la compréhension du signal acoustique de parole émis. Un premier objectif de cette thèse était de déterminer si les interactions multimodales lors de la perception de parole, en plus d’impliquer classiquement les informations auditives et visuelles transmises par le son et le visage du locuteur, pouvaient être déclenchées par d’autres sources sensorielles moins communément utilisées dans la communication parlée, comme la perception tactile de la parole ou encore la perception visuelle des mouvements de la langue. Parallèlement, nos travaux avaient également pour but de déterminer l’implication possible du système moteur dans ces mécanismes de perception multisensorielle. Enfin, un autre enjeu de nos recherches était de déterminer plus avant le décours temporel et l’organisation neuroanatomique fonctionnelle de ces mécanismes d’intégration à l’aide de différentes techniques comme l’électro-encéphalographie, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ou encore la stimulation magnétique transcrânienne. Nos travaux ont permis d’élargir la notion de « multisensorialité de la parole » en mettant en évidence une facilitation des traitements temporels auditifs lors de la perception audio-tactile de la parole et lors de l’observation de nos propres mouvements articulatoires. D’autre part, nos études ont fourni de nouveaux arguments en faveur d’un rôle fonctionnel du système moteur lors de la perception de parole en montrant une activation plus importante des régions motrices lors de l’observation de mouvements de la langue ainsi qu’un recrutement plus bilatéral du cortex prémoteur ventral au cours du vieillissement. Pris ensemble, nos résultats renforcent l’idée d’un couplage fonctionnel, d’une co-structuration des systèmes de perception et de production de la parole. Les études présentées dans cette thèse appuient ainsi l’existence de connexions entre régions sensorielles, intégratives et motrices permettant la mise en œuvre de processus et traitements multisensoriels, sensorimoteurs et prédictifs lors de la perception et compréhension des actions de parole.

Rodents use their facial whiskers to probe their environment by touch. Any contact induces both slow quasi-static and fast vibratory mechanical stresses that propagate down to the base of vibrissae where dedicated mechanoreceptors detect them. It is this phase of mechanical transduction of the tactile information operated by the whiskers, prior to any neural coding, that we have studied here. By combining biomimetic experiments and theoretical modeling, we have sought to separate the relative contributions of both slow and fast components, for the detection and localization of objects, as well as the perception of textures. One of the challenges of this work was to understand what determines from a mechanical point of view, rodents remarkable temporal and spatial precision.For this, we have first studied the shock dynamic between a whisker and an object and shown that the radial position of the object could be encoded both in the rate of change of the quasi-static component of the base torque as well as in the amplitude and frequency of the induced vibrations. In addition, by mimicking the whisking mode adopted by rodents, we have shown that using the vibratory component allows rodents to detect contacts faster and more robustly.We then studied the perception of elementary textures and showed that the maximum variation of the base torque depends univocally on their size. Experiments on anesthetized rats, combining whisker optical tracking and cortical neural activity measurements, led us to propose an encoding mechanism of texture perception where the surface topography is modulated by the vibration properties of the whiskers and demodulation occurs at a neuronal level., Les rongeurs utilisent leurs vibrisses pour sonder tactilement leur environnement. Tout contact induit des contraintes mécaniques lentes quasi-statiques et rapides vibratoires, qui se propagent jusqu'en base de vibrisse où des mécanorécepteurs dédiés les détectent. C'est cette étape de transduction mécanique de l'information tactile opérée par les vibrisses, avant tout codage neuronal,que nous avons étudiée.En combinant expériences biomimétiques et modélisations, nous avons cherché à isoler les contributions relatives des composantes lentes et rapides pour la détection etlocalisation d'objets, et la perception de textures. Un des enjeuxétait de comprendre ce qui d'un point de vue mécanique confère aux rongeurs leur rapidité et acuité remarquables. Pour cela, nous avons d’abord étudié la dynamique de choc vibrisse-objet, et montré que la position radiale de l’objet pouvait être encodée à la fois dans le taux de variation de la composante quasi-statique du moment en base et dans l’amplitude et la fréquence des vibrations induites. En mimant le mouvement de whisking, nous avons de plus montré qu’utiliser la composante vibratoire permet aux rongeurs une détection des contacts plus rapide et plus robuste. Nous avons ensuite étudié la perception de textures élémentaires, et montré que la variation maximale du moment en base dépendait de manière univoque de leur taille. Des expériences sur rats anesthésiés combinant suivi des vibrisses et mesures d’activité neuronale dans le cortex nous ont enfin permis de proposer un mécanisme d’encodage des textures où la topographie de la surface est modulée par les propriétés de vibrations de la vibrisse et démodulée au niveau neuronal.

This document presents the conception, the characterisation and the use of an artificial touch system for a study on tactile texture recognition. The artificial touch system is composed of an artificial finger and an exploration device allowing an automatic translation of the finger on samples. The artificial finger is based on a tri-axis force MEMS sensor covered with a polyurethane artificial skin. Thus, the MEMS measure the three spatial components of the efforts transmitted by the polyurethane coating. To rub the finger against surfaces, two exploration devices have been conceived successively. Thanks to the first one, we rapidly organized some texture recognition experiments, to evaluate the ability of the finger to discriminate texture. The second device, allows a better control of the exploration parameters, like moving speed or forces applied. This device also allows us to characterize the artificial finger during a simple contact task or while rubbing the artificial finger on a surface. A study of that kind allowed us to better understand the physical phenomena taking place during tactile texture exploration. The first experiments on texture exploration showed a good sensitivity of the artificial finger to detect the weave form periodicity of a textile, or to discriminate two different kinds of textures (paper v.s. textile). Next, the artificial finger is evaluated for the discrimination of ten kinds of papers. The signals given by the artificial finger while rubbing a texture are showing some problems of reproducibility. However, associated with several classification algorithms, the artificial finger gives good results for the discrimination of the ten textures, in particular thanks to spectral characteristics extracted from the signals. This experiment was run several times with different protocols, in order to validate the classification results. These results support several hypotheses on the behaviour of the artificial touch system and to some extent on tactile texture recognition., Ce travail de thèse présente la conception, la caractérisation et l'utilisation d'un système de toucher artificiel pour l'étude de la reconnaissance tactile de textures. Le système de toucher artificiel se compose d'un doigt artificiel et d'un dispositif d'exploration permettant un déplacement automatisé du doigt sur les échantillons. Le doigt artificiel fonctionne grâce à un micro-capteur d'efforts tri-axes MEMS recouvert d'une peau artificielle (ou enrobage) en polyuréthane. Le MEMS mesure ainsi les trois composantes spatiales des efforts transmis par l'enrobage lorsque celui-ci est sollicité. Afin de déplacer le doigt artificiel et ainsi d'explorer des surfaces, deux dispositifs motorisés ont été successivement conçus. Grâce au premier dispositif, nous avons rapidement mis en place des expériences d'exploration de surfaces, afin d'évaluer les possibilités de discrimination de textures de notre doigt artificiel. Le second dispositif, permet une meilleure maitrise des différents paramètres de l'exploration comme la vitesse de déplacement ou la force appliquée. Il permet également de caractériser le doigt artificiel, lors d'une simple mise en contact ou pendant la friction du doigt sur une surface. Une étude de ce type a notamment permis une meilleure compréhension du comportement du doigt artificiel et des phénomènes mis en jeu lors de l'exploration tactile de textures. Les premières expériences d'exploration de surfaces montrent une bonne sensibilité du doigt artificiel pour la détection de la périodicité de l'armure d'un tissu, ou pour la discrimination de deux textures de différentes natures (papier v.s. tissu). Le doigt artificiel est ensuite évalué avec une expérience de discrimination de 10 textures de papiers. Les signaux d'exploration obtenus de cette expérience mettent en évidence certains problèmes de reproductibilité des mesures. Toutefois, associé à plusieurs algorithmes de classification mis en place, le doigt artificiel montre de bonnes performances à la discrimination des 10 textures, particulièrement grâce aux caractéristiques spectrales extraites du signal. Plusieurs réalisations de cette expérience, avec différents protocoles de mesures, permettent de valider les résultats de classification, et d'étayer certaines hypothèses sur le comportement de notre système de toucher artificiel et plus généralement à propos de la reconnaissance tactile de textures.

International audience; The Tactos system of perceptual supplementation allows for tactile reading of shapes and spatial organisation of objects on computer screens. The aim of the present project is to extend the use of this device to situations of distal tactile interaction via the Internet network. Here we report the initial results of an analysis of patterns of use in context, in order to test the material and functional possibilities provided by this extension. Two blind adolescents, with different levels of expertise in using Tactos, have tested various technical possibilities and various contents. It appears that the use of new effectors is possible if a certain level of proficiency has been reached in the use of the stylus and the graphic tablet. Similarly, the question of recourse to bimodality is posed in order to improve the acquisition of reference points in space. Finally, the passage to a “group” situation seems to be necessary for the use of the device to give rise to shared meanings and the creation of norms.; Le Système de suppléance perceptive Tactos permet la lecture tactile des formes et dispositions spatiales d’objets sur l’écran de l’ordinateur. Le projet actuel est d'étendre l'usage de ce dispositif à des situations d'interaction tactile distale via le réseau Internet. Nous rapportons ici les premiers résultats d'analyse d'usage en contexte afin de tester les possibilités matérielles et fonctionnelles entraînés par cette extension. Deux adolescents aveugles, de niveaux d'expertise différents dans l'utilisation de Tactos, ont testé différentes possibilités techniques et différents contenus. Il apparaît que l'utilisation d'effecteurs nouveaux est possible si un certain niveau d'aptitude est atteint dans l'utilisation du stylet et de la tablette graphique. De même, la question d'un recours à la bimodalité est posée afin d'améliorer le repérage dans l'espace. Pour finir, le passage à l'utilisation en "groupe" apparaît nécessaire pour la création d'un sens commun et le partage de normes.

Two experimental methods have been developed to measure, for an elastomer / glass multi-contact interface, the mechanical fields inside the volume (MEMS force micro-sensor embedded under the elastic film) and at the interface (transmitted light contact imaging), at length scales intermediate between the apparent contact one and the micro-contacts one.The MEMS measurement has allowed us to obtain the stress fields under normal load and in steady sliding regime, with a very good agreement with simple mechanical models. For periodically rough substrates the relation between the stress spectrum and the surface topography has been interpreted in terms of spectral filtering, relevant to understanding tactile perception.The optical measurement has allowed us, by analysing the spatial distribution of the intensity, to obtain the interfacial pressure field. Its dependence with the rough layer properties has been confronted to the Greenwood-Tripp model. By tracking the asperities, the displacement field has been measured with a sub-micronic resolution and has shown the coexistence of slipping and sticking zones predicted by Cattaneo and Mindlin., Deux méthodes expérimentales ont été développées pour mesurer, pour une interface multi-contacts élastomère / verre, les champs mécaniques en volume (micro-capteur de force MEMS noyé sous le film élastique) et à l'interface (imagerie de contact par transmission), résolus spatialement à une échelle intermédiaire entre celle du contact apparent et celle des micro-contacts.La mesure MEMS a permis d'obtenir les champs de contrainte sous charge normale et en glissement stationnaire, en très bon accord avec des modèles mécaniques simples. Pour des substrats de rugosité périodique le lien entre spectre des contraintes et topographie de surface a pu être interprété en termes de filtrage spectral, pertinent pour comprendre la perception tactile.La mesure optique a permis, en analysant la répartition spatiale de l'intensité, d'obtenir le champ de pression de surface. Sa dépendance avec les propriétés de la couche rugueuse a été confrontée au modèle de Greenwood-Tripp. Par suivi des aspérités, le champ de déplacement a été mesuré avec une résolution sub-micronique et a mis en évidence la coexistence de zones glissantes et adhérentes prédite par Cattaneo et Mindlin.

The coding of tactile information, as opposed to visual and acoustic, is still misunderstood. This PhD work is focused on the initial phenomena which lead to emit an opinion on the perception of an explored surface. The originality of the work relies on four methodological pillars: (i) the complete characterization of the finger pad properties; (ii) the elaboration and characterization of a variety of determinist textured surfaces at the sub-millimeter scale; (iii) the in vivo characterization of the frictional and vibratory behavior of the contact between a finger pad and a textured surface together with a numeric study on the contact mechanics; (iv) the characterization of the tactile perception by a panel of volunteers. It is shown that even though the surfaces are textured, the friction coefficient between these surfaces and a human finger is mostly driven by adhesion in the contact. A second major outcome concerns the physical phenomena which influence the tactile perception. First, it appears that the textured surfaces used in this study can be discriminated according to three psycho-perceptive dimensions: “slippery”, “vibrating” and “rough”. Then, the intensity of the slippery perception is solely driven by the friction coefficient, while the vibrating perception is driven by both the friction coefficient and the friction induced vibrations. Finally, the intensity of the roughness perception depends solely geometric features of the texture asperities.; Contrairement aux sens visuels et auditifs, le codage de l’information tactile est encore méconnu. Dans cette thèse de doctorat, nous nous intéressons aux phénomènes initiaux conduisant l’individu à émettre un jugement sur sa perception de la surface explorée. Dans ce champ d’étude, l’originalité de notre démarche s’appuie sur l’emploi et la confrontation, de quatre piliers méthodologiques : (i) la caractérisation fine des propriétés in vivo du doigt ; (ii) la réalisation et la caractérisation d’une variété de surfaces texturées déterministes définies à l’échelle submillimétrique ; (iii) la caractérisation in vivo du comportement frictionnel et vibratoire du contact doigt/texture, couplée à une étude numérique de la mécanique de ce contact ; (iv) la quantification de la perception tactile d’un groupe d’individus. Ces recherches ont permis notamment de mettre en évidence que, bien que les surfaces soient texturées, le coefficient de frottement entre celles-ci et un doigt humain est majoritairement piloté par l’adhésion entre les deux surfaces. Un second résultat majeur issu de ces recherches porte sur l’identification des phénomènes physiques à l’origine de la perception tactile. Nous avons d’abord montré que les surfaces texturées utilisées sont à l’origine de trois dimensions psycho-perceptives : « glissant/bloquant », « vibrant/calme » et « rugueux/lisse ». Nos mesures ont ensuite permis de montrer que l’intensité de la perception du glissement est pilotée uniquement par le coefficient de frottement, tandis que celle de la perception des vibrations l’est à la fois par le coefficient de frottement et par les vibrations induites par frottement. Finalement, l’intensité de la perception de la rugosité dépend uniquement de la dimension des aspérités composant les textures.