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In the first chapter of this manuscript, my previous research projects are firstly synthesized. Based on the current context of musculoskeletal disorders which are considered as a critical public health issue, a conceptual five-step model for physical ergonomics is introduced (Model, Sensor, Analysis, Assessment, Intervention). This model serves as a basis for the first part of my previous research projects dedicated to physical ergonomic assessment using on-body sensors (electrogoniometers, inertial measurement units, etc.). As this assessment is also feasible in real-time, the second part of my previous research is submitted, by focusing on the use of continuous sensorial feedback, so called biofeedback, for human motion optimization. In a third part, the ergonomic intervention is presented in terms of physical assistance, by considering exoskeletons as a promising solution to prevent musculoskeletal disorders. The analysis of human-exoskeleton interactions thus allows to limit current issues and extents related to the use of these disposals. In the second chapter of this manuscript, the five-step model for physical ergonomics permits to lay the foundation of my future research projects. These projects are including investigations on new methodologies for characterizing human motion, e.g. mecanomyography and embedded force sensors, both in sport and occupational environments. Developing methodologies for assessing passive exoskeletons in the field is also explored, as well as the improvement of human-exoskeleton interactions, which will allow forward definition of bioinspired control laws for active exoskeletons. These future projects are based on collaborations with both academic and professional partners. Finally, the last chapter of this manuscript summarizes my academic activities and responsibilities, both at scientific level through publications and research grants, and pedagogical level through education initiatives and innovative pedagogical projects that have been funded.

Flight is a locomotion mode offering numerous advantages, and has allowed birds to undergo a dramatic evolutionary radiation. This adaption deeply influences their anatomy, their physiology, and their behaviour. This manuscript firstly describes the main physical and biological principles necessary to understand flight. Then, we make a literature review on the development of flight behaviours, and describe the methods used to study flight in birds. To allow a deeper understanding of flight behaviours, we focus on two aerial insectivores: the common swift (Apus apus) and the house martin (Delichon urbicum) which perform almost all of their behaviours in flight. We use a 3D trajectometry method at a local scale in order to describe vital behaviours in these two species, and to understand how energy economy is made and modulated by specific trade-offs. Firstly, we study how common swifts drink on the wing, and we show that they actively dissipate mechanical energy when approaching a waterbody in order to reduce their impact speed, partly through sharp turns and the use of headwind. This surprisingly costly behaviour might be the result of a trade-off between energy expenditure and safety, because approaching water at a high speed is risky. Secondly, we describe several strategies used by house martins to save energy during foraging, such as the extraction of environmental energy (thermal soaring) and the optimisation of their flight speed depending on wind speed and direction. Finally, we compare the distribution of speeds between juvenile and adult individuals, and we show that juveniles exhibit more variable flight speeds than adults, possibly because their flight behaviours are not immediately optimal after leaving the nest. These results benefit to the general understanding of flight behaviours in these species very adapted to the aerial environment. Comparative studies focusing on the same behaviour in several species exhibiting a gradient in some life history traits could allow a deeper understanding of these adaptations to flight.; Le vol est un mode de locomotion qui présente de nombreux avantages et a permis la radiation évolutive des oiseaux. Cette adaptation influence profondément leur anatomie, leur physiologie et leur comportement. Ce manuscrit présente tout d’abord les principes physiques et biologiques permettant une compréhension basique du vol. Nous effectuons ensuite une synthèse de la littérature scientifique sur le développement du vol, et décrivons les différentes méthodes utilisées pour étudier le vol chez les oiseaux. Pour approfondir la compréhension actuelle des comportements de vol, nous nous focalisons sur deux espèces d’insectivores aériens : le martinet noir (Apus apus) et l’hirondelle de fenêtre (Delichon urbicum) qui réalisent presque tous leurs comportements en vol. Nous utilisons une méthode de trajectométrie 3D à l’échelle locale afin de décrire des comportements vitaux chez ces deux espèces et de comprendre comment des économies d’énergie peuvent s’opérer et être modulées par différents trade-offs. Dans un premier temps, nous étudions la prise de boisson chez le martinet noir, et nous montrons que les martinets dissipent activement leur énergie mécanique durant l’approche d’un plan d’eau afin de réduire leur vitesse d’impact, en partie via des virages serrés et l’utilisation du vent de face. Ce comportement étonnamment coûteux pourrait être le résultat d’un trade-off entre la dépense d’énergie et la sécurité, car approcher la surface de l’eau à une vitesse élevée représente un risque. Dans un second temps, nous décrivons différentes stratégies utilisées par les hirondelles de fenêtre pour économiser de l’énergie durant leur recherche alimentaire, comme l’extraction d’énergie dans l’environnement (vol thermique) et l’optimisation de la vitesse de vol en fonction de la vitesse et de la direction du vent. Enfin, nous comparons la distribution des vitesses entre des individus juvéniles et adultes, et montrons ainsi que les juvéniles ont une vitesse de vol plus variable que celle des adultes, possiblement car leurs comportements de vol ne sont pas immédiatement optimaux après la sortie du nid. Ces résultats apportent à la compréhension globale des comportements de vol chez ces espèces très adaptées au milieu aérien. Des études comparatives se focalisant sur le même comportement chez des espèces présentant un gradient de variation dans leurs traits d’histoire de vie pourraient apporter une compréhension supplémentaire des adaptions au vol.

Dorsal closure and head involution are among the last major events in the morphogenesisof the Drosophila melanogaster embryo, taking place during stages 13 to 15. During dorsal closure, the cells of the dorsal epidermis elongate until they fusewith their counterparts on the dorsal midline, pulled by an extra-embryonic tissue:the amnioserosa. At the same time, the dorsal epidermis of the thoracic segments,having just fused, covers the head of the embryo: that is the head involution . I dedicated this thesis to the understanding of the morphogenetic processes at the origin of these two phenomena and to their regulation by two signaling pathways:JNK and DPP (the TGFβ homolog in D. melanogaster ). [...] Finally, I identify how a subpopulation of cells from the head epidermis participatein the migration of the thoracic epidermis over it. These cells are organized in twobands located laterally on either side of the head epidermis. During head involution,these two bands contract thanks to the intercalation of their cells as well as the reduction of their apical area. Thus, these bands act as suspenders pulling on the thoracic epidermis via the dorsal ridge. Concomitantly, the dorsal ridge also contracts and acts as a belt to synchronize the migration of the thoracic epidermis over the head. Altogether, this work demonstrates that the role of the DPP pathwayin the regulation of late epidermal morphogenesis in the Drosophila embryooriginates much earlier than previously thought. It also sheds light on the crucialrole of inter-organ cooperation during this process.; La fermeture dorsale et l'involution de la tête sont parmi les derniers évènements majeurs de la morphogénèse de l'embryon de drosophile. J'ai consacré ce travail de thèse à la compréhension des procédés morphogénétiques à l'origine de ces deux phénomènes ainsi qu'à leur régulation par deux voies de signalisation : JNK et DPP (l'homologue des TGFβ chez D. melanogaster). Dans un premier temps, j'y décortique et précise les rôles distincts de chacune de ces deux voies de signalisation pour la fermeture dorsale. En effet, les embryons mutés pour des composants de la voie JNK ou DPP ne parviennent pas à réaliser la fermeture dorsale et subissent une éviscération fatale marquant l'échec de leur développement. J'y identifie ainsi que DPP définit le domaine ainsi que l'activité contractile de l'amnioséreuse précocement chez l'embryon. Il détermine ensuite l'épiderme dorsal et lui confère des propriétés visco-plastiques bien avant la fermeture dorsale. Enfin, j'y établie comment JNK et DPP agissent de concert pour assurer la cohésion entre l'amnioséreuse et l'épiderme dorsal, dont la perte est à l'origine de l'éviscération des mutants. Dans un second temps, j'y écarte l'apoptose comme responsable de l'éviscération des mutants de la voie DPP et y pointe le rôle de la morphogenèse des organes internes. Finalement, j'y identifie comment une population de cellules de l'épiderme de la tête participe à l'involution de la tête. Ces cellules sont organisées en deux bandes agissant telles des bretelles tirant sur l'épiderme thoracique via la crête dorsale, se comportant elle comme une ceinture et synchronisant la migration de l'épiderme thoracique par-dessus la tête. Ainsi, ce travail permet de démontrer que le rôle de la voie DPP dans la régulation de la morphogénèse tardive de l'épiderme de l'embryon de drosophile puise son origine bien plus précocement que ce qui était pensé jusqu'alors. Il permet également d'éclairer le rôle crucial de la coopération entre organes lors de celle-ci.

In individuals with hemiparesis following a cerebrovascular accident (CVA) at the chronic phase, the deficits of balance during gait are common due to the impairment of the reactive and anticipatory postural responses. However, traditional interventions based on voluntary movements do not target the improvement of these responses for the improvement of dynamic balance. Studies involving the applications of unpredictable gait perturbations reported limited improvements in balance and gait abilities in this population. Furthermore, due to the concomitant use of other interventions or the absence of a control group in these studies, the attribution of the reported changes of these studies specifically to unpredictable gait perturbations is not possible. On the other hand, our knowledge about the underlying mechanisms of improvement of dynamic balance in individuals at the chronic phase post-stroke is limited. Thus, the main objectives of this thesis were: 1) to compare the effects of intense and unpredictable gait perturbations on balance and gait abilities with a control intervention including walking-only on a split-belt treadmill; and 2) to compare biomechanical determinants of dynamic balance between a group of healthy participants (n=15) and two groups of hemiparetic participants following CVA at the chronic phase [stroke-fast group (overground gait speed ≥ 1 m/s, n=20) and stroke-slow group (overground gait speed < 1 m/s, n=18)], as well as between stroke groups. To achieve the first objective, 18 participants were recruited and assigned through covariate adaptive randomization to the experimental group (n=10) or the comparison group (n=8) in a randomized controlled pilot trial. The participants in the comparison group walked merely on the treadmill. Both groups received nine training sessions over three weeks. Improvement of dynamic balance (assessed by the MiniBESTest) was the only statistically significant difference observed between the experimental and comparison groups. To reach the second objective, the biomechanical determinants of dynamic balance were compared at six time points of the gait cycle between the healthy group, stroke-fast group and stroke-slow group. The biomechanical determinants were the length and width of the base of support (BOS) in addition to the relative positions of the center of pressure (COP), the center of mass (COM) and the extrapolated COM (XCOM) along the anteroposterior and lateral axes of the BOS. The results indicate that participants with hemiparesis due to CVA at the chronic phase showed altered biomechanical variables compared to healthy participants, particularly at the single support phase of gait, suggesting a strategy to maintain their dynamic balance. Altogether, the findings suggest that the experimental intervention improved dynamic balance during gait probably through the normalization of its biomechanical determinants in individuals in the chronic phase post-stroke., Chez des personnes présentant une hémiparésie à la suite d’un accident vasculaire cérébral (AVC), les carences de l'équilibre dynamique pendant la marche sont fréquentes en raison de l'altération des réponses posturales réactives et anticipées. Toutefois, les interventions traditionnelles basées sur la réalisation de mouvements volontaires ne visent pas l'amélioration de ces réponses qui sous-tendent l'amélioration de l'équilibre dynamique. Des études portant sur l’application spécifique de perturbations imprévisibles de la marche ont rapporté des améliorations limitées des capacités de marche et d'équilibre chez cette population. Par ailleurs, en raison de l'utilisation concomitante d’autres interventions ou de l'absence d'un groupe témoin dans ces études, il n'est pas possible d'attribuer les changements rapportés spécifiquement aux perturbations imprévisibles de la marche. D'un autre côté, nos connaissances sur les mécanismes sous-jacents à l'amélioration de l'équilibre dynamique chez les individus ayant subi un AVC en phase chronique sont peu développées. Les principaux objectifs de cette thèse sont donc : 1) de comparer les effets de perturbations intenses et imprévisibles de la marche sur l'équilibre et les capacités de marche avec une intervention contrôle incluant uniquement de la marche sur un tapis roulant à double courroie ; et 2) de comparer les déterminants biomécaniques de l'équilibre dynamique entre un groupe de participants sains (n=15) et deux groupes de participants présentant une hémiparésie en phase chronique à la suite d’un AVC [les groupes AVC rapide (vitesse au sol ≥ 1 m/s, n=20) et AVC lent (vitesse au sol < 1 m/s, n=18)] ainsi qu’entre les groupes d'AVC. Pour atteindre le premier objectif, 18 participants ont été recrutés et assignés par randomisation avec équilibre des co-variables (“covariate adaptive randomization”) au groupe expérimental (n=10) ou au groupe de comparaison (n=8) dans un essai pilote contrôlé randomisé. Les participants du groupe de comparaison marchait simplement sur un tapis roulant. Les deux groupes ont reçu neuf sessions d’entraînement réparties sur trois semaines. L'amélioration de l'équilibre dynamique (évaluée par le biais du MiniBESTest) était la seule différence statistiquement significative observée entre le groupe expérimental et le groupe de comparaison à la suite de l’intervention. Pour atteindre le deuxième objectif, les déterminants biomécaniques de l'équilibre dynamique ont été comparés à six moments du cycle de marche entre le groupe sain, le groupe AVC rapide et le groupe AVC lent. Les déterminants biomécaniques étaient la longueur et la largeur de la base de support (BOS), en plus des positions relatives du centre de pression (COP), du centre de masse (COM) et du COM extrapolé (XCOM) dans les axes antéropostérieur et latéral de la BOS. Les résultats indiquent que les participants présentant une hémiparésie à la suite d’un AVC en phase chronique présentent des variables biomécaniques altérées par rapport aux participants sains, surtout lors de la phase d’appui unipodal, suggérant une stratégie pour maintenir leur équilibre dynamique. Dans l'ensemble, les résultats suggèrent que l’intervention expérimentale a amélioré l'équilibre dynamique pendant la marche, probablement en raison de la normalisation de ses déterminants biomécaniques chez les individus ayant subi un AVC en phase chronique.

L’utilisation simultanée des membres supérieurs (MS) d’une manière coordonnée est nécessaire pour effectuer plusieurs activités quotidiennes. Après un accident vasculaire cérébral (AVC), les personnes peuvent présenter des déficits d’ajustement des mouvements dans le temps et dans l’espace affectant leur coordination bilatérale et leur organisation posturale. La coordination bilatérale des MS a été peu explorée et traitée en réadaptation post-AVC. Ce projet doctoral visait à : 1) Quantifier les déficits de coordination bilatérale des MS lors des mouvements bilatéraux de poussées symétriques à deux niveaux d’effort, 2) Déterminer l’effet d’une perturbation, asymétrie de l’effort, basée sur un concept de l’augmentation de l’erreur sur la coordination bilatérale des MS et 3) Analyser la stratégie d’organisation posturale pendant des poussées bilatérales symétriques et asymétriques des MS. L’hypothèse générale était que la coordination bilatérale et l’organisation posturale des personnes post-AVC allaient différer des personnes en santé et qu’elles seraient affectées par l’augmentation symétrique de l’effort de poussée et par l’imposition d’une perturbation (asymétrie du niveau d’effort). Une vingtaine de personnes post-AVC ont été comparées à des témoins en santé lors d’exercices de poussées bilatérales linéaires et résistées (à 15% et/ou à 30% de la force maximale) des MS en position assise à l’aide d’un exerciseur instrumenté. Cet appareil combiné avec des surfaces d’appui instrumentées avec des plateformes de forces a permis d’enregistrer les forces au niveau des mains, des cuisses et des pieds. Les résultats ont montré que les personnes post-AVC avaient une bonne coordination temporo-spatiale des MS lors des poussées bilatérales à deux niveaux d’effort par rapport à des personnes en santé malgré une asymétrie des forces entre les MS parétique et non-parétique (article 1). L’effet d’une perturbation du niveau d’effort de poussée sur la coordination temporo-spatiale des MS des personnes post-AVC était négligeable. Toutefois, la perturbation par l’asymétrie de l’effort a montré un effet d’adaptation motrice marqué par une augmentation subite suivie d’une atténuation du délai d’initiation du mouvement entre les MS chez les deux groupes (article 2). Au niveau du contrôle postural, une asymétrie de la répartition du poids du corps vers le pied parétique et la main non-parétique et un déplacement antérieur important du tronc ont été notés lors des poussées chez les personnes post-AVC par rapport aux personnes en santé (article 3). Lors de l’augmentation de l’effort symétrique de poussées ou lors de poussées asymétriques, les personnes post-AVC comme les personnes en santé montraient une augmentation de l’appui au niveau des cuisses, une décharge du poids au niveau des pieds et une augmentation de l’appui sur les mains (article 3). En conclusion, les personnes post-AVC présentaient une asymétrie des forces des MS et une asymétrie de répartition du poids du corps en position assise mais une bonne coordination bilatérale des MS et une capacité d’adaptation motrice préservée., Simultaneous use of the upper limbs (UL) in a coordinated manner is necessary to perform many daily activities. After a stroke, individuals may have deficits in movement adjustment in both time and space, affecting their bilateral UL coordination and postural organization. Bilateral coordination of the UL has not been extensively explored and is seldom treated in stroke rehabilitation. This doctoral project aimed to 1) Quantify UL bilateral coordination deficits during bilateral symmetrical pushing movements at two levels of effort, 2) Determine the effect of an imposed perturbation in the form of an asymmetry of effort, based on the concept of error augmentation on UL bilateral coordination and 3) Analyze the postural organization strategy during bilateral symmetrical and asymmetrical UL pushing movements. The general hypothesis was that bilateral coordination and postural organization of individuals post-stroke would differ from those of healthy individuals and would be affected by symmetrically increasing pushing effort and by imposing a perturbation (asymmetry in effort level). Twenty post-stroke individuals were compared with healthy controls during linear and resisted bilateral pushing exercises (at 15% and/or 30% of maximal force) of the UL in a sitting position using an instrumented exerciser. This exerciser combined with bearing surfaces instrumented with force platforms recorded forces at the hands, thighs, and feet. Results showed that post-stroke individuals had good temporospatial coordination of the UL during bilateral pushing movements at two levels of effort when compared to healthy individuals despite an asymmetry of forces between the paretic and nonparetic UL (Article 1). The effect of an imposed perturbation on temporospatial coordination of UL in post-stroke individuals was negligible. However, a sudden increase followed by the attenuation of the movement initiation delay between UL in both groups was observed, indicative of an adaptation phenomenon (Article 2). As for postural control, an asymmetry in body weight distribution toward the paretic foot and the nonparetic hand and a significant anterior displacement of the trunk were noted during pushing movements in post-stroke individuals when compared to healthy individuals (Article 3). Both post-stroke and healthy individuals displayed increased support at the thighs and hand and offloading at the feet, during increased symmetrical pushing efforts as well as during asymmetrical pushing movements (Article 3). In conclusion, post-stroke individuals showed asymmetry in UL forces and asymmetry in body weight distribution in sitting but good bilateral UL coordination and a preserved motor adaptation ability.

Le tendon d’Achille, impliqué dans la flexion plantaire de la cheville, est le plus résistant des tendons du corps humain. Par le nombre répété de flexions plantaires et l’intensité élevée des forces transmises via ce tendon lors d’activités fonctionnelles, il est exposé à un risque accru de lésion musculosquelettique, telle la tendinopathie achilléenne (TA). La TA s’accompagne généralement de déficiences physiques (ex: altérations de l’intégrité tendineuse, douleur, ↓ force des fléchisseurs plantaires, altération du contrôle moteur) et d’incapacités fonctionnelles (ex: marche, course, sauts) qui mènent à une diminution de la participation sociale et de la qualité de vie. Les personnes atteintes d’une TA consultent généralement un professionnel de la réadaptation, qui établit son diagnostic, met en œuvre un plan d’intervention et évalue ses effets au moyen de différentes mesures cliniques pertinentes. L’objectif général de cette thèse vise à bonifier les connaissances liées à l’intégrité tendineuse objectivée par des mesures quantitatives d’ultrasonographie (QUS), ainsi que les associations potentielles entre ces mesures et la douleur localisée, la souplesse, la force musculaire, le contrôle moteur et les activités fonctionnelles. Afin de répondre à cet objectif général, trois objectifs spécifiques ont été complétés dans le contexte de cette thèse: 1) choisir un ensemble minimal de mesures QUS afin de quantifier l’intégrité tendineuse du tendon d’Achille chez les individus ayant une TA unilatérale chronique, 2) quantifier l’association entre les mesures QUS et la douleur localisée, la souplesse, la force et la fonction chez les individus atteints de TA chronique, et 3) analyser les effets d’une altération d’intégrité tendineuse du tendon d’Achille sur les forces de réaction du sol et les synergies musculaires des membres inférieurs à la marche chez les individus atteints d’une TA unilatérale chronique. En résumé, les résultats de l’article #1 ont permis d’identifier, à partir de 22 mesures QUS organisées autour de 3 dimensions (c.-à-d., géométrie, composition et texture), un ensemble minimal de mesure QUS dans les plans longitudinal (c.-à-d., épaisseur moyenne, échogénicité, variance et homogénéité à 90°) et transverse (c.-à-d., épaisseur moyenne, échogénicité et homogénéité moyenne) pour caractériser et différencier l’intégrité du tendon d’Achille chez des individus ayant une TA et des individus en santé. Les résultats de l’article #2 ont permis de confirmer que l’ensemble minimal de mesures identifiées dans le premier article permettait de différencier le coté symptomatique du côté asymptomatique chez les individus ayant une TA unilatérale chronique. De plus, les résultats ont révélé une faible association entre les mesures QUS et la douleur localisée, la flexibilité à la cheville, la force des fléchisseurs plantaires et le niveau fonctionnel des individus ayant une TA chronique. Finalement, les résultats de l’article #3 ont mis en évidence que même si l’intégrité tendineuse du tendon d’Achille est altérée chez les individus ayant une TA unilatérale chronique, la symétrie des forces de réaction du sol et des synergies musculaires à la marche à vitesses naturelle et rapide sont relativement préservées. En somme, il ressort de cette thèse qu’un ensemble minimal de mesures QUS permet de caractériser et différencier l’intégrité tendineuse et s’avère ainsi pertinent dans le cadre d’une évaluation tendineuse. Par ailleurs, ces mesures à elles seules dressent uniquement un portrait incomplet. L’ajout de mesures liées à la douleur, la souplesse, la force, le contrôle moteur et la performance d’activités fonctionnelles demeure pertinent. Toutes ces mesures permettent une évaluation complète en plus de soutenir l’élaboration et la mise en œuvre d’un plan d’intervention en réadaptation chez les individus ayant une TA chronique., The Achilles tendon, involved in the plantarflexion of the ankle, is the strongest tendon in the human body. Due to repeated ankle plantarflexions and high intensity forces transmitted via this tendon during the performance of functional activities, it is exposed to an increased risk of musculoskeletal injury, such as an Achilles tendinopathy (AT). An AT is usually accompanied by physical impairments (i.e., pain, alterations in tendon integrity, decreased plantarflexors strength and lower limbs motor control alterations) and functional disabilities (i.e., walking, running and jumping limitations), which in turn may negatively impact social participation and quality of life. Individuals with AT typically consult rehabilitation professionals who establish a diagnosis, initiate an intervention plan and evaluate its effects through a variety of relevant clinical outcome measures. The general objective of this thesis is to improve knowledge on quantitative ultrasound (QUS) measures characterizing tendon integrity, as well as on the potential associations between these QUS measures and localized pain, flexibility, muscle strength, motor control and functional activities. To meet this general objective, three specific objectives were developed: 1) select a minimal dataset of QUS measures to quantify the Achilles tendon’s integrity among individuals with chronic unilateral AT, 2) examine the relationship between the previously-determined minimal dataset and pain, flexibility, strength and function in individuals with chronic AT, and 3) analyze the effects of altered Achilles tendon’s integrity on ground reaction forces and lower limb muscle synergies among individuals with chronic unilateral AT. These three specific objectives were operationalized and presented in three distinct articles. In summary, the results of the first article identified, among a set of 22 QUS measures organized around 3 dimensions (i.e., geometry, composition and texture), distinct minimal datasets of QUS measures in the longitudinal (i.e., mean thickness, echogenicity, variance and 90° homogeneity) and transverse planes (i.e., mean thickness, echogenicity and mean homogeneity) , respectively, to characterize and distinguish the integrity of the Achilles tendon in individuals with AT versus healthy counterparts. The results of the second article confirmed that this minimal dataset had the capability to discriminate the symptomatic side from the asymptomatic side in individuals with a chronic unilateral AT. In addition, the results revealed only a weak association between the QUS measures and the localized pain, ankle flexibility, strength of plantar flexors and functional level in individuals with chronic AT. Finally, the results of the third article confirmed that, although the Achilles tendon’s integrity is impaired in individuals with chronic unilateral AT, the symmetry of the ground reaction forces and muscular synergies during walking at natural and fast speeds remains relatively well preserved at both lower limbs. In short, it emerges from this thesis that a minimal dataset of QUS measures can appropriately characterize the integrity of the Achilles tendon and discriminate a symptomatic AT from an asymptomatic one. Yet, the QUS measures alone only depict an incomplete picture of the clinical symptoms and their significance on functions. Hence, measures related to pain, flexibility, strength, motor control and performance of functional activities remain relevant and essential to document. Together, all measures allow rehabilitation professionals to perform a comprehensive assessment, which in turn can inform the selection of a personalized comprehensive rehabilitation intervention plan and prognostication for adults with chronic AT.

Les violonistes sont une population à risque de développer des blessures musculosquelettiques d'usure, allant jusqu'aux trois quarts qui joueront blessé·e·s durant leur carrière. Malgré la nécessité de bien en saisir les causes, le corpus de recherche demeure parcimonieux sur ce sujet. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était d'étudier la fatigue --- une cause présumée du risque de blessures --- lors du jeu violonistique, par des méthodes expérimentales et numériques. Dans une première étude sur la cinématique des violonistes, 10 expert·e·s ont interprété une partition composée afin de tester le style et la vitesse de jeu ainsi que la corde jouée. Cette étude a permis de mettre en lumière la grande répétabilité (variabilité intra-participant < 5°) dont les violonistes expert·e·s font preuve. Alors que cela est probablement souhaitable afin d'assurer un contrôle optimal de la qualité sonore, la sollicitation répétitive d'une même musculature semble cependant problématique pour leur santé musculosquelettique. Cette étude a également montré l'individualité de leur gestuelle (variabilité inter-participant > 10°), ce qui a des conséquences sur le type de recherche qui peut être réalisée pour demeurer pertinente et comparable. Des recommandations dont l'objectif est d'assurer un corpus de littérature cohérent ont été proposées, notamment la nécessité d'utiliser des devis à mesures répétées, avec un mouvement de référence commun à travers les études. En deuxième approche, des mouvements violonistiques ont été générés par simulation prédictive en utilisant un algorithme de commande optimale. Pour ce faire, deux innovations majeures ont été proposées et implémentées dans les logiciels Biorbd et Bioptim, logiciels développés dans le cadre de la présente thèse. La première est le développement d'un modèle de la perception de l'effort, dont l'objectif est de représenter l'incapacité de l'humain à réaliser indéfiniment une tâche. Le principal avantage de ce modèle est de pouvoir être utilisé seul, lorsque le temps de calcul est un enjeu, ou en conjonction avec des modèles plus complets, pour une plus grande validité. La seconde innovation concerne le développement d'une méthode de simulation prédictive, la commande prédictive (NMPC) multicyclique, qui exploite la nature cyclique du mouvement de violon. Ainsi, des mouvements violonistiques de 10 minutes --- soit 600 allers-retours du bras d'archet ---, par un avatar-musicien incluant ou non la fatigue, ont été synthétisés. L'analyse des résultats révèle une stratégie cinématique pratiquement identique entre les modèles, avec et sans perception de la fatigue, jusqu'à l'atteinte de la limite de fatigue, suivi d'un ajustement articulaire par le modèle fatigable par l'abaissement de son bras d'archet d'environ 5°. La cohérence des résultats avec le comportement humain montre la pertinence de la méthode dans l'étude de l'adaptation à la fatigue. Dû au faible niveau d'adaptation observé, il est cependant conclu que le contrôle du temps de pratique demeure encore le moyen le plus approprié pour réduire le risque de blessures liées au jeu., About three quarters of violinists develop an musculoskeletal injury within their career, making them an at-risk population. Despite the need to understand the biomechanical factors underlying these injuries, the body of research on this topic remains sparse. In this context, the objective of this thesis was to study fatigue---a presumed injury risk factor---during violin playing, using empirical and numerical methods. In a first study on the kinematics of violinists, 10 experts performed a score purposefully composed to test effects of style and playing speed, as well as string played. This study highlighted the high repeatability exhibited by expert violinists (intra-participant variability < 5°). While repeatability is probably desirable to ensure optimal control of sound quality, the repetitive solicitation of the same muscles can lead to injuries. Additionally, this study showed the uniqueness of violinists’ motor patterns (inter-participant variability > 10°), which has consequences on the type of research designs that should be used. Recommendations with the goal of ensuring consistency within the literature were proposed, including the need to use repeated-measure designs, with a common baseline movement across studies. For the numerical approach, violinists’ movements were synthesized by predictive simulations using an optimal control algorithm. To do so, two major innovations were proposed and implemented in Biorbd and Bioptim, two libraries developed throughout this thesis. The first innovation was the development of a model of fatigue perception, whose objective was to represent humans’ inability to perform a task indefinitely. The main advantage of this model was that it could be used alone when computation time is an issue, or concurently with more complete models for greater validity. The second innovation concerned the development of a predictive simulation method, the multicyclic nonlinear model predictive control (NMPC), which exploits the cyclic nature of violin motion. Employing this approach, a musician avatar was used to synthesize a 10 minutes violinist’ movements (i.e., 600 round trips of the bowing arm) with and without the model of fatigue perception. The results revealed an almost identical joint kinematic strategy for the two models until maximal fatigue, as specified in the model, was reached. Then, elevation of the bowing arm decreased by about 5° with the fatigue model. The consistency of the results with human behaviour showed the relevance of this numerical method for studying joint-kinematic adaptations to fatigue. However, only small adjustments were observed, leading to the conclusion that practice time limitations remain the best solution to prevent playing-related injuries.

Durant la locomotion, la diaphyse fémorale subit des charges mécaniques impactant son organisation structurelle. L’étude de la structure corticale des vestiges fossiles représente donc un potentiel accès à la reconstruction de l’environnement mécanique des hominines fossiles, et donc à leur locomotion. Cependant, peu d’études ont abordé expérimentalement cette question et d’autres facteurs tels que l’âge, la masse et le niveau d’activité viennent complexifier cette relation entre structure fémoro-diaphysaire et locomotion. Une première étude menée sur un échantillon ontogénétique de babouins olive vivant à la Station de Primatologie du CNRS (UAR 846), a démontré une faible correspondance entre les variations de l’organisation du tissu cortical de la diaphyse fémorale et celles du répertoire posturo-locomoteur au cours de l’âge. Pour poursuivre l’étude de cette relation entre les propriétés biomécaniques de la diaphyse fémorale et la locomotion, nous avons analysé et comparé les cartographies d’épaisseur corticale et des paramètres de géométrie de section sur plus de 50 fémurs de primates catarhiniens adultes (genres Homo, Gorilla, Pan, Hylobates, Papio, Macaca), de morphologies et de répertoires posturo-locomoteurs différents.Nos résultats montrent l’existence de schémas biomécaniques variés, montrant une certaine proximité entre grands singes africains et hylobatidés, dont les babouins et surtout les humains se distinguent. Les propriétés biomécaniques de la diaphyse fémorale permettent de distinguer des grands groupes, mais pas de caractériser précisément les répertoires posturo-locomoteurs les plus diversifiés.Pour permettre une différenciation plus fine des répertoires posturo-locomoteurs complexes, exploitable dans une perspective paléoanthropologique, nous proposons l’intégration de l’approche biomécanique à de la morphométrie géométrique.

To improve human-robot collaborations, more and more researches focus on the study of human behaviour. It is in this context of growing relationships between robotics and biomechanics that theCollaBorative roBot (CoBot) project has emerged. Funded by the French Agence Nationale de la Recherche (ANR), this project (ANR-CoBot) targets a human-humanoid robot collaboration in the context of a load-carriage task. During this collaboration, the robot is aimed to safely and pro-actively assist its human partner to handle a load. The idea of the ANR-CoBot project is, first, to understand the mechanisms at stake during a human-human collaboration and, then, to model and simulate them to finally implement them on a humanoid robot TALOS from PAL Robotics to perform the same task with a human partner.As part of this project, my PhD deals with the transition from the modelling of the human behaviourto the integration of this model in a humanoid robot. The final goal of this thesis is to perform a pro-active human-robot interaction to carry a table. From a biomechanics point of view, my thesis aims to better understand human locomotion in order to enable the robot to anticipate its partner’s behaviour. To achieve this goal, experiments were performed to measure Center of Mass (CoM) human trajectories, first during simple locomotion and then during carriage task. Then, models based on optimal control problems were designed to generate human-like trajectories or even predict them. This prediction may improve the human-robot interactions making the robot acting pro-actively. Then, from a robotics point of view, to achieve a collaborative carriage task, five matters need to be handled:• Localization: the robot needs to locate the table and its human partner in order to interactwith them.• Walk generation: the robot needs to walk toward the table at the beginning of theexperiment and also needs to walk with the table towards an unknown location chosenby its human partner.• Whole-body control: the robot needs to lift the table and handle it while walking.• Balance: the robot should not fall during the experiment.• Safety: the robot should not harm its human partner.Among those matters, my thesis mainly focuses on the walk generation. The other topics are handled by other members of the Gepetto team in LAAS-CNRS. One major contribution of my thesis is to embed the prediction trajectory model into the robot walking pattern generator. This aims to improve the human-robot interaction for two main reasons. First, it may allow the robot to be more reactive by anticipating its partner motions and, then, it may make the interaction less disturbing and more natural for the human as the robot may act in a human-like manner., Ma thèse est financée par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) à travers le projet intitulé ANR-CoBot. Ce projet pluri-disciplinaire a pour but d’étudier les interactions entre 2 individus lors d’un transport de charges collaboratif et de réaliser une collaboration homme-robot pour transporter une charge. Dans le cadre de ce projet, ma thèse s’intéresse spécifiquement à la réalisation d’un transport de table en collaboration entre un humain et un robot de type TALOS produit par l’entreprise PAL Robotics.Lorsqu’on s’intéresse à une telle interaction homme-robot, les deux principaux enjeux à relever sont les suivants : comprendre le comportement de l’humain, d’une part, et contrôler le robot pour qu’il puisse adapter ses actions à celles de son partenaire humain d’autre part. Le premier enjeu est d’ordre biomécanique, tandis que le second est d’ordre robotique. Ma thèse allie donc ces deux disciplines. En biomécanique, mon travail s’est focalisé sur l’étude des trajectoires de Centre de Masse (CdM) d’individus marchant seuls sans contraintes puis marchant en transportant une table en binôme. Le but de cette étude est de modéliser ces trajectoires de marche avec un problème de contrôle optimal afin de pouvoir prédire où va un individu à partir de sa trajectoire passée. Cette information est nécessaire pour réaliser une interaction homme-robot fluide où le robot arrive à anticiper le comportement de son partenaire lors du transport, comme le ferait un être humain. En robotique, cinq aspects sont à maîtriser afin de réaliser un transport de charge :• La localisation: le robot doit pouvoir « voir » la table et son partenaire pour pouvoir interagir avec eux.• La génération de la marche : le robot doit pouvoir marcher jusqu’à l’endroit où l’humain veut amener la table, endroit qui est a priori inconnu au robot.• Le contrôle corps-complet : le robot doit pouvoir soulever la table et marcher en la tenant.• La stabilisation : le robot doit pouvoir réaliser tous ces mouvements sans perdre l’équilibre.• La sécurité : le robot ne doit pas mettre en danger l’intégrité physique de son partenaire humain.Parmi ces différents aspects, ma thèse se focalise sur la génération de la marche tandis que les autres points font l’objet de travail d’autres gens au sein de l’équipe Gepetto du LAAS-CNRS. Lors d’une interaction homme-robot, la génération des trajectoires du CdM du robot et de ses pieds doit être rapide et doit prend en compte les mouvements de l’humain en temps réel. Ainsi, ma principale contribution au générateur de marche du robot, lors de ma thèse, a été de le coupler au modèle de prédiction des trajectoires humaines.