Projets novateurs réalisés

Micro-usinage du verre par électrolyse à décharge phosphorescente

Outre le silicium, le verre est le matériau le plus important utilisé dans le domaine en constante croissance des micro-dispositifs. Plusieurs applications nécessitent le verre en raison de ses propriétés uniques : résistance chimique, transparence, faible conductivité électrique et thermique, et biocompatibilité. Certains de ces dispositifs sont : des micro-accéléromètres, des micro-réacteurs, des micro-pompes et des dispositifs médicaux. Le facteur limitant pour augmenter l’utilisation du verre dans les micro-dispositifs est sa possibilité de structuration limitée. Les technologies de gravure chimique (comme celles avec le fluorure d’hydrogène) sont bien établies, mais restent trop lentes et coûteuses pour de nombreuses applications industrielles. D’autres technologies sont disponibles, comme l’usinage laser ou mécanique (ultrasonique ou sablage à poudre). Les deux sont entravés par la difficulté d’obtenir une bonne qualité de surface et le risque de dommages structurels. En général, les structures à rapport d’aspect élevé sont un problème complexe. Une réponse possible est la gravure chimique assistée par étincelle (SACE).

SACE, également connue dans la littérature sous le nom d’usinage par décharge électrochimique, ou ECDM (à ne pas confondre avec l’usinage par décharge électro et l’usinage électrochimique pour matériaux conducteurs, deux procédés également appelés ECDM en combinaison), est basée sur les décharges électrochimiques. Le principe est simple : l’échantillon de travail et deux électrodes sont plongés dans un électrolyte (typiquement du NaOH aqueux). La cathode sert d’outil. Lors de l’application d’une tension supérieure à une valeur critique (typiquement 30 V), un film gazeux autour de l’outil se forme par la coalescence des bulles qui se développent à sa surface. Des décharges électrochimiques se produisent entre l’outil et l’électrolyte. La chaleur générée localement favorise la gravure de l’échantillon de travail. SACE n’a pas besoin d’installations en salle blanche ni de fabrication de masques, contrairement à la plupart des technologies de micro-usinage.
Aujourd’hui, le forage SACE unidimensionnel est bien caractérisé en boucle ouverte. Cependant, aucune stratégie de contrôle n’a été rapportée. Le développement de stratégies de rétroaction ouvrirait de nouvelles possibilités pour l’usinage SACE, aidant à surmonter ses principales limites.

L’objectif du projet proposé est de développer des stratégies de forage basées sur le contrôle par rétroaction de force.

Fusion de capteurs pour un suivi robuste de la posture à l’aide d’un dispositif combiné accéléromètre-magnétomètre-gyroscope

Les traceurs optiques et électromagnétiques de haute précision sont couramment utilisés pour des interventions guidées par image afin de suivre la position et l’orientation (pose) des outils chirurgicaux et des objets ciblés. Dans certaines applications, ces dispositifs de suivi pourraient être remplacés par de petites unités de mesure inertielle (IMU) à faible coût, qui contiennent des capteurs intégrés d’accéléromètre-magnétomètre-gyroscope. La taille typique du capteur est de quelques centimètres sur quelques centimètres et il coûte environ 150 $. Cela permet de nouvelles applications qui n’auraient pas pu être mises en œuvre avec des capteurs optiques ou électromagnétiques.

Interpolation des contours en imagerie médicale

La planification des procédures médicales, telles que la radiothérapie ou les interventions mini-invasives, nécessite presque toujours la délimitation des organes et d’autres structures importantes par des courbes fermées. Le plus souvent, cela se fait manuellement, en dessinant des contours autour des objets sur plusieurs images en section transversale bidimensionnelle.

Typiquement, les contours changent en douceur entre les tranches d’image adjacentes, il pourrait donc être possible d’accélérer le processus de contouring en dessinant manuellement les contours uniquement sur un sous-ensemble limité d’images et en générant des contours entre les tranches dessinées manuellement par interpolation.

La méthode d’interpolation des contours pourrait aussi être utilisée pour générer des modèles de surface visuellement attrayants et précis à partir d’ensembles de contours clairsemés et manuellement définis.

Visualisation des champs de déformation en imagerie médicale

Les méthodes d’enregistrement des images sont souvent utilisées dans les interventions médicales guidées par image pour déterminer la luxation de l’organe cible. Des méthodes avancées d’enregistrement peuvent déterminer non seulement une transformation rigide, mais aussi des déformations d’organes. L’évaluation des performances des algorithmes d’enregistrement d’images déformables nécessite la visualisation des champs de déformation résultants, au moyen de tranches d’image colorées, isolignes, flèches, grilles déformées, etc.

3D Slicer (www.slicer.org) est une application open source d’analyse et de visualisation d’images médicales, largement utilisée dans le laboratoire Perk. Cette application contient des algorithmes d’enregistrement d’image déformables, mais malheureusement elle ne peut pas visualiser les champs de déformation.

Gestion des défauts dans les systèmes de procédés chimiques

La nécessité d’un cadre complet pour diagnostiquer et gérer les pannes des actionneurs et capteurs a été bien reconnue. Ce projet vise à développer des principes fondamentaux rigoureux ainsi que des filtres de détection et d’isolation des pannes basés sur des données ainsi que des conceptions de contrôle tolérants aux pannes.

Construction de la fonction de Lyapunov à contrôle contraint

L’un des problèmes fondamentaux non résolus en théorie du contrôle est le choix d’une fonction de Lyapunov de contrôle contrainte pour les systèmes non linéaires — un problème qui va au cœur de la définition et de la compréhension de ce que signifie la stabilité. Dans notre groupe, nous avons utilisé des résultats sur des régions nulles contrôlables pour des systèmes linéaires afin de résoudre ce problème pour les systèmes linéaires. Ce projet portera sur une classe de systèmes non linéaires.

Évolution des oiseaux des hautes latitudes

Les projets de recherche actuels portent sur les migrants résidents et de courte distance. En utilisant des marqueurs moléculaires (par exemple, des données de séquences d’ADN), nous pouvons examiner la biogéographie historique et comment les glaciations ont façonné les populations actuelles. Nous avons plusieurs espèces qui peuvent être étudiées pour étudier la structure génétique des populations.

Approximation préservant la divergence des champs vectoriels

Les fluides sont souvent simulés sur des grilles régulières. À chaque point de la grille, la vitesse du fluide est stockée sous forme de vecteur. Pour analyser l’écoulement, la plupart des algorithmes de visualisation d’écoulement interpolent le champ vectoriel aux points non grillés de façon composante par composant. Cette approche directe n’est pas conservatrice, c’est-à-dire que le champ vectoriel interpolé n’est plus exempt de divergences.

L’objectif de ce projet de recherche est double :

1) Quantifier l’erreur introduite à cause de ce traitement composant par composant.

2) Étudier des stratégies efficaces qui tentent de réduire l’erreur avec peu ou pas de surcharge. Ces stratégies incluent : l’utilisation de réseaux d’échantillonnage alternatifs, le préfiltrage des données vectorielles afin de minimiser la divergence, et l’utilisation de représentations alternées des champs d’écoulement intrinsèquement exemptes de divergences.

Simulation améliorée des ondes de choc dans les coulées de fluides compressibles

La simulation fiable des ondes de choc est cruciale dans la prédiction et l’étude de nombreux phénomènes physiques, où des changements brusques dans les propriétés des matériaux dus aux ondes de choc peuvent grandement affecter les régions d’intérêt et activer des mécanismes physiques. La méthode prédominante pour simuler les écoulements avec des ondes de choc, la capture de chocs, existe depuis plus de soixante ans et a été appliquée avec succès à un large éventail de problèmes. Cependant, souvent, dans les simulations d’écoulement de fluide compressible, de grandes erreurs apparaissent à cause de la présence d’ondes de choc. Ces erreurs ne disparaissent pas avec le raffinement de la grille ou les schémas d’ordre supérieur et jettent le doute sur cette classe de méthodes autrement robuste et fiable.

Un stagiaire d’été est sollicité pour analyser et améliorer la performance d’une nouvelle catégorie de programmes qui ne souffrent pas de ces problèmes. Actuellement, cette nouvelle catégorie de schémas n’est pas fiable et de nouvelles analyses et tests numériques sont nécessaires pour mieux comprendre ces nouveaux développements. Le stagiaire utilisera des codes existants pour tester des schémas sur des problèmes simples avant d’utiliser l’analyse mathématique et numérique. L’étudiant acquerra une compréhension des ondes de choc et des méthodes de capture de chocs, ainsi que des techniques d’analyse de base et une meilleure compréhension des équations aux dérivées partielles.

Mise en œuvre d’une unité de contrôle moteur pour l’injection de carburant automobile

L’objectif du projet de recherche est de mettre en œuvre une unité de contrôle moteur (ECU) que nous avons récemment acquise sur un banc d’essai moteur automobile pour le contrôle de l’injection de carburant. Le système moteur à utiliser est un moteur Sunbird (moteur à essence à injection de carburant par port) que possède UBC Mechanical Engineering. L’ECU est un microcontrôleur MotoHawk qui détermine la quantité de carburant à injecter selon les mesures des capteurs. Pour mesurer le rapport air/carburant en temps réel, un capteur d’oxygène à large bande sera installé avant le catalyseur à trois voies dans le tuyau d’échappement. Un simple contrôleur PID et un contrôleur robuste avancé seront testés, et les performances du système en boucle fermée seront comparées selon diverses conditions de fonctionnement (vitesse du moteur et débit d’air). Ces contrôleurs seront réalisés dans Matlab/Simulink et transférés au microcontrôleur ECU.

Un système d’experts flous sur la minéralogie qualitative

Ce projet implique l’évolution d’un système informatique existant conçu pour enseigner la minéralogie et aider à l’identification d’un échantillon minéral. Le système actuel fonctionne dans un environnement logiciel propriétaire basé sur l’hypertexte qui doit être mis à jour pour fonctionner dans un navigateur Windows tel que Firefox ou MS-Explorer.

Le système utilise un système expert flou pour présenter des informations sur plus de 250 minéraux et aider un étudiant à apprendre à identifier un spécimen inconnu. Il utilise des observations faites par l’utilisateur pour augmenter ou diminuer le degré de croyance en un nom minéral particulier initialement choisi par l’utilisateur. Ainsi, l’utilisateur acquiert la capacité d’observer les propriétés des roches et minéraux tels que la couleur, la strie, l’éclat, la S.G., la dureté, la structure et l’habitude cristallines, le clivage, le jumelage, ainsi que de nombreuses caractéristiques uniques telles que le jumelage et la fluorescence; et appliquer ces faits pour identifier les minéraux.

La recherche consiste à faire évoluer les règles existantes et la structure de la logique floue vers une forme compatible avec la programmation web. Certaines des règles existantes peuvent fonctionner de manière plus efficace en utilisant une approche basée sur des agents pour réutiliser les règles et les appliquer aux différentes propriétés, plutôt que d’être appliquées comme des entités séparées. Le système utilise plusieurs cartes de mémoire associative floue pour recueillir l’information d’entrée et déterminer le degré de croyance dans une sortie. L’entrée et la sortie sont généralement de nature linguistique, sauf lorsque des mesures ont été faites, telles que la S.G. et la dureté. La méthode de défuzzification utilise une approche de moyenne pondérée, bien que certaines règles utilisent l’inférence pondérée similaire à un réseau de neurones artificiel. L’examen des moyens de rationaliser ces deux alternatives aura lieu au cours de la recherche. La capacité à ajouter facilement de nouveaux minéraux au système sera également examinée.

Le plan de recherche pour ce travail est le suivant :

Semaine 01 – Familiarisation avec le système existant
Semaine 02 – Apprendre les éléments de l’IA dans le système
Semaine 03 – Transfert des documents hypertextes en HTML/XML
Semaine 04 – Poursuite avec les documents hypertextes et la base de données
Semaine 05 – Création de règles pour l’application/manipulation en ligne des données
Semaine 06 – Continuer à créer des règles
Semaine 07 – Continuer à créer des règles
Semaine 08 – Tester le système
Semaine 09 – Tester le système
Semaine 10 – Développement de l’interface utilisateur
Semaine 11 – Nettoyage final et rédaction d’un bref rapport
Semaine 12 – Présentation du nouveau système à notre département

Le candidat idéal pour ce projet posséderait des connaissances en programmation web, en systèmes de gestion de données, et souhaiterait en apprendre davantage sur les techniques d’IA telles que la logique floue, les systèmes experts et les réseaux de neurones artificiels. Un intérêt pour les minéraux et les sciences de la Terre serait un atout, mais une expertise dans ce domaine n’est pas requise pour mener cette recherche.

Jeux évolutifs et omniprésents pour la préparation aux catastrophes naturelles

Les jeux omniprésents sont un nouveau genre de jeu vidéo joué sur des appareils mobiles dans les lieux quotidiens que nous habitons. Avec eux vient une nouvelle façon pour les gens de socialiser, d’interagir, de comprendre les lieux et les lieux, et de s’engager dans divers aspects de la communauté. Le défi, cependant, est que nous ne savons toujours pas comment concevoir au mieux des jeux omniprésents pour engager pleinement les joueurs afin qu’ils puissent trouver de nouvelles façons d’explorer et de comprendre des aspects de leur culture et de leur situation géographique.
Un défi spécifique qui existe avec de nombreux jeux omniprésents est la création et l’orchestration du contenu et des activités de jeu. Par création, nous entendons la construction et le placement du contenu du jeu. Par orchestration, nous faisons référence à la surveillance des activités des joueurs dans le jeu, ainsi qu’à la qualité et à la disponibilité continue du contenu du jeu, afin d’assurer que le jeu se déroule sans heurts pour les joueurs. L’orchestration consiste à surveiller activement les joueurs pour s’assurer qu’ils restent hors de danger et continuent de participer au jeu. Ici, les besoins d’orchestration sont très dynamiques, car les contraintes physiques du jeu semblent illimitées pour le joueur, tout comme les règles (c’est-à-dire avec qui interagir). En général, la création et l’orchestration de jeux omniprésents sont essentielles au succès d’un jeu. Si c’est mal fait, les joueurs peuvent ne pas apprécier le jeu ou risquer; Peut-être pire encore, les non-joueurs qui ne réalisent pas qu’ils font partie d’un jeu en tant que spectateurs pourraient être en danger. Pragmatiquement, les défis liés à la création et à l’orchestration signifient aussi que les jeux omniprésents sont souvent des cas uniques et n’existent qu’en un seul lieu ou se déroulent sur une courte période, sans jamais être rejoués. En conséquence, la participation est limitée ou les joueurs ne peuvent pas continuer à jouer comme ils le feraient avec des jeux informatiques ou en ligne. Notre intérêt est de comprendre comment les jeux omniprésents peuvent être conçus pour être évolutifs. Par scalable, nous faisons référence à la capacité d’un jeu d’être : 1) joué et orchestré sur de longues périodes dans divers endroits, et 2) joué par un grand nombre de joueurs (par exemple, des centaines ou des milliers de personnes).
Ce projet explore comment des jeux évolutifs et omniprésents peuvent être conçus pour que les joueurs apprennent et partagent des connaissances entre leur famille, leurs amis et les membres de la communauté concernant des catastrophes naturelles imminentes et potentielles. Par exemple, il examine comment les résidents de Vancouver peuvent apprendre à se préparer aux situations d’urgence face à un éventuel séisme majeur et comment ils peuvent partager leurs connaissances avec leur famille et leurs amis pour les aider à se préparer également. Nous concevrons un prototype de jeu omniprésent qui utilise des éléments de conception susceptibles de rendre le jeu évolutif, puis nous évaluerons le jeu à travers le jeu par les utilisateurs finaux. Le résultat sera une compréhension plus large des éléments du jeu qui favorisent la scalabilité (par exemple, la narration, les mécaniques de jeu, le jeu en groupe) et comment ces aspects influencent l’expérience de jeu dans le contexte de la préparation aux catastrophes naturelles.