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The goal of this thesis is to leverage soft matter for the development of electrostrictive composite materials for use in vibrational energy recovery and high sensitivity pressure sensors. An emulsion approach is proposed for making composites and incorporating conductive particles such as grapheme foils or carbon black particles into an elastic polymeric matrix made of polydimethylsiloxane (PDMS). This original approach allows controlling the dispersion of the charges and the microstructure of the composites. The dielectric properties of these materials are controlled by the type of charges, their concentration, and their dispersion path. Optimization of formulation levers makes it possible to achieve very high dielectric permittivity values (ε_r^'≈182 at 100 Hz) for polymer composites. The materials developed during this work have been used successfully in vibrational energy recovery devices. In combination with an insulating layer, the studied structures have a high effective relative dielectric permittivity with a very low effective conductivity (up to 2,53 10-8 S.m-1). We have developed an experimental device to measure the electrostriction of materials and to quantify the generation of electrical energy in response to mechanical vibrations. A power density of 0.38 W m-3 was measured for mechanical excitations of 100 Hz. For real-life use of electrostrictive materials and their use as an ambient mechanical energy harvester, we incorporated them into vibrating beam structures cantilevered. Thanks to the flexibility of these structures and their low resonance frequency, we managed to recover 0.4 W.m-3 for a mechanical excitation of 25 Hz. In the last part of our work, we focused our attention on high sensitivity pressure sensors, necessary for long-term cardiac monitoring and for the natural interaction of robots with humans. We demonstrate that our electrostrictive composite materials can be integrated into these flexible pressure sensors. The reported performance in terms of pressure sensitivity is above that of the literature. We illustrate the performance of our materials by successfully using them to continuously and non-invasively record the pulse waves of a radial artery.; L’objectif de ces travaux de thèse est de mettre à profit la matière molle pour le développement de matériaux composites électrostrictifs en vue de leur utilisation à des fins de récupération d’énergie vibrationnelle et de capteurs de pression haute sensibilité. Une approche par voie émulsion est proposée pour la réalisation de composites afin d’incorporer des particules conductrices telles que feuillets de graphème ou des particules de noir de carbone dans une matrice polymère élastique faite de polydimethylsiloxane (PDMS). Cette approche originale permet de contrôler la dispersion des charges et la microstructure des composites. Les propriétés diélectriques de ces matériaux sont contrôlées par le type de charges, leur concentration et leur voie de dispersion. L’optimisation de leviers de formulation permet d’atteindre des valeurs de permittivité diélectrique très élevées (εr'≈182 à 100 Hz) pour des composites polymères. Les matériaux développés au cours de ces travaux ont été utilisés avec succès dans des dispositifs de récupération d’énergie vibrationnelle. En combinaison avec une couche isolante, les structures étudiées présentent une permittivité diélectrique relative effective élevée avec une très faible conductivité effective (jusqu’à 2,53 10-8 S.m-1). Nous avons développé un dispositif expérimental permettant de mesurer l’électrostriction des matériaux et de quantifier la génération d’énergie électrique en réponse à des vibrations mécaniques. Une densité de puissance de 0,38 W.m-3 a été mesurée pour des excitations mécaniques de 100 Hz. Pour l’utilisation en conditions réelles des matériaux électrostrictifs et leur utilisation en récupérateur d’énergie mécanique ambiante, nous les avons intégrés dans des structures vibrantes de poutre en porte-à-faux. Grâce à la flexibilité de ces structures et à leur faible fréquence de résonnance, nous avons réussi à récupérer 0.4 W.m-3 pour une excitation mécanique de 25 Hz. Dans la dernière partie de nos travaux, nous avons porté notre attention sur les capteurs de pression haute sensibilité, nécessaire pour la surveillance cardiaque à long terme et pour l’interaction naturelle des robots avec les humains. Nous démontrons que nos matériaux composites électrostrictifs peuvent être intégrés dans ces capteurs de pression souple. Les performances rapportées en termes de sensibilité à la pression sont au-dessus de celles de la littérature. Nous illustrons les performances de nos matériaux en réussissant à les utiliser pour enregistrer de manière continue et non invasive des ondes de pouls d’une artère radiale.

The goal of this thesis is to leverage soft matter for the development of electrostrictive composite materials for use in vibrational energy recovery and high sensitivity pressure sensors. An emulsion approach is proposed for making composites and incorporating conductive particles such as grapheme foils or carbon black particles into an elastic polymeric matrix made of polydimethylsiloxane (PDMS). This original approach allows controlling the dispersion of the charges and the microstructure of the composites. The dielectric properties of these materials are controlled by the type of charges, their concentration, and their dispersion path. Optimization of formulation levers makes it possible to achieve very high dielectric permittivity values (ε_r^'≈182 at 100 Hz) for polymer composites. The materials developed during this work have been used successfully in vibrational energy recovery devices. In combination with an insulating layer, the studied structures have a high effective relative dielectric permittivity with a very low effective conductivity (up to 2,53 10-8 S.m-1). We have developed an experimental device to measure the electrostriction of materials and to quantify the generation of electrical energy in response to mechanical vibrations. A power density of 0.38 W m-3 was measured for mechanical excitations of 100 Hz. For real-life use of electrostrictive materials and their use as an ambient mechanical energy harvester, we incorporated them into vibrating beam structures cantilevered. Thanks to the flexibility of these structures and their low resonance frequency, we managed to recover 0.4 W.m-3 for a mechanical excitation of 25 Hz. In the last part of our work, we focused our attention on high sensitivity pressure sensors, necessary for long-term cardiac monitoring and for the natural interaction of robots with humans. We demonstrate that our electrostrictive composite materials can be integrated into these flexible pressure sensors. The reported performance in terms of pressure sensitivity is above that of the literature. We illustrate the performance of our materials by successfully using them to continuously and non-invasively record the pulse waves of a radial artery., L’objectif de ces travaux de thèse est de mettre à profit la matière molle pour le développement de matériaux composites électrostrictifs en vue de leur utilisation à des fins de récupération d’énergie vibrationnelle et de capteurs de pression haute sensibilité. Une approche par voie émulsion est proposée pour la réalisation de composites afin d’incorporer des particules conductrices telles que feuillets de graphème ou des particules de noir de carbone dans une matrice polymère élastique faite de polydimethylsiloxane (PDMS). Cette approche originale permet de contrôler la dispersion des charges et la microstructure des composites. Les propriétés diélectriques de ces matériaux sont contrôlées par le type de charges, leur concentration et leur voie de dispersion. L’optimisation de leviers de formulation permet d’atteindre des valeurs de permittivité diélectrique très élevées (εr'≈182 à 100 Hz) pour des composites polymères. Les matériaux développés au cours de ces travaux ont été utilisés avec succès dans des dispositifs de récupération d’énergie vibrationnelle. En combinaison avec une couche isolante, les structures étudiées présentent une permittivité diélectrique relative effective élevée avec une très faible conductivité effective (jusqu’à 2,53 10-8 S.m-1). Nous avons développé un dispositif expérimental permettant de mesurer l’électrostriction des matériaux et de quantifier la génération d’énergie électrique en réponse à des vibrations mécaniques. Une densité de puissance de 0,38 W.m-3 a été mesurée pour des excitations mécaniques de 100 Hz. Pour l’utilisation en conditions réelles des matériaux électrostrictifs et leur utilisation en récupérateur d’énergie mécanique ambiante, nous les avons intégrés dans des structures vibrantes de poutre en porte-à-faux. Grâce à la flexibilité de ces structures et à leur faible fréquence de résonnance, nous avons réussi à récupérer 0.4 W.m-3 pour une excitation mécanique de 25 Hz. Dans la dernière partie de nos travaux, nous avons porté notre attention sur les capteurs de pression haute sensibilité, nécessaire pour la surveillance cardiaque à long terme et pour l’interaction naturelle des robots avec les humains. Nous démontrons que nos matériaux composites électrostrictifs peuvent être intégrés dans ces capteurs de pression souple. Les performances rapportées en termes de sensibilité à la pression sont au-dessus de celles de la littérature. Nous illustrons les performances de nos matériaux en réussissant à les utiliser pour enregistrer de manière continue et non invasive des ondes de pouls d’une artère radiale.

Since the presentation in 1981 of the study of cardiac fluctuations using spectral analysis by Akselrod, several applications based on this technique were developed, in the clinical field or in research. Two spectral components are extracted from heart rate variability and, according to authors, are related to sympathetic and parasympathetic activities of the autonomic nervous system. However, frequency bands are highly dependent on the ages of the studied subjects and the application of this method must be done under strictly defined conditions and in precise cases. The development of new techniques assessing modulations of the autonomic nervous system activities which could be adapted to different subjects may give the possibility to generalize the study of cardiorespiratory parameters.In this work, we have put in relation a geometrical analysis of the heart rate with this spectral method and developed another one, based on the symbolic coding of the cardiorespiratory variability. This last method, linked to an estimation of the entropy rate for the determination of an appropriate pattern length, gives a value of the coordination between cardiac and respiratory rhythm.Applicated to epileptic adolescents treated by vagus nerve stimulation, these three methods showed modifications of the autonomic nervous system activities. Furthermore, in this part, we have demonstrated that the results from the spectral method are unreliable for young subjects while keeping original parameters. Geometrical and symbolic methods were finally used for the study of adults and new-borns with seizures. As recording parameters did not gave the possibility to obtain accurate results on the analysis of autonomic nervous system activities in children, propositions for their improvement were made and future potentially interesting conclusions concerning the development of seizures are awaited.; Depuis la présentation en 1981 de l'étude des fluctuations cardiaques en employant l'analyse spectrale par Akselrod, de nombreuses applications basées sur cette technique ont été développées, que ce soit en utilisation clinique ou en recherche. Deux composantes spectrales sont extraites des modulations du rythme cardiaque et sont, selon les auteurs, relatives aux activités sympathique et parasympathique du système nerveux autonome. Cependant, la définition de ces bandes de fréquences sont fortement dépendantes de l'âge des sujets étudiés et l'application de cette méthode doit être réalisée sous des conditions parfaitement définies et dans des cas précis. Le développement de nouvelles techniques d'exploration des modulations des activités du système nerveux autonome pouvant être adapté à différents sujets pourrait permettre de généraliser l'étude des paramètres cardiorespiratoires.Dans cette étude, nous avons mis en relation une méthode d'analyse géométrique du rythme cardiaque avec cette méthode spectrale et également développé une autre méthode, basée sur un codage symbolique de la variabilité cardiorespiratoire. Cette dernière méthode, liée à une estimation du taux d'entropie pour la détermination de la longueur du modèle à employer pour l'étude d'un sujet, donne une valeur de la coordination entre les rythmes cardiaques et respiratoires.Appliquées chez des adolescents épileptiques traités par stimulation vagale, ces trois méthodes ont montré des modifications des activités du système nerveux autonome. De plus, dans cette partie, nous avons pu démontrer la non fiabilité des résultats issues de la méthode spectrale chez des sujets jeunes en conservant les paramètres d'origines. Les méthodes géométrique et symbolique ont enfin été exploitées pour l'étude d'adultes et de nouveaux nés présentant des crises. Les paramètres d'enregistrements ne permettant pas d'obtenir des résultats précis sur l'analyse du système nerveux chez l'enfant, des propositions pour les améliorer ont été faites et de futures conclusions potentiellement intéressantes concernant la compréhension du développement des crises sont attendues.

Since the presentation in 1981 of the study of cardiac fluctuations using spectral analysis by Akselrod, several applications based on this technique were developed, in the clinical field or in research. Two spectral components are extracted from heart rate variability and, according to authors, are related to sympathetic and parasympathetic activities of the autonomic nervous system. However, frequency bands are highly dependent on the ages of the studied subjects and the application of this method must be done under strictly defined conditions and in precise cases. The development of new techniques assessing modulations of the autonomic nervous system activities which could be adapted to different subjects may give the possibility to generalize the study of cardiorespiratory parameters.In this work, we have put in relation a geometrical analysis of the heart rate with this spectral method and developed another one, based on the symbolic coding of the cardiorespiratory variability. This last method, linked to an estimation of the entropy rate for the determination of an appropriate pattern length, gives a value of the coordination between cardiac and respiratory rhythm.Applicated to epileptic adolescents treated by vagus nerve stimulation, these three methods showed modifications of the autonomic nervous system activities. Furthermore, in this part, we have demonstrated that the results from the spectral method are unreliable for young subjects while keeping original parameters. Geometrical and symbolic methods were finally used for the study of adults and new-borns with seizures. As recording parameters did not gave the possibility to obtain accurate results on the analysis of autonomic nervous system activities in children, propositions for their improvement were made and future potentially interesting conclusions concerning the development of seizures are awaited.; Depuis la présentation en 1981 de l'étude des fluctuations cardiaques en employant l'analyse spectrale par Akselrod, de nombreuses applications basées sur cette technique ont été développées, que ce soit en utilisation clinique ou en recherche. Deux composantes spectrales sont extraites des modulations du rythme cardiaque et sont, selon les auteurs, relatives aux activités sympathique et parasympathique du système nerveux autonome. Cependant, la définition de ces bandes de fréquences sont fortement dépendantes de l'âge des sujets étudiés et l'application de cette méthode doit être réalisée sous des conditions parfaitement définies et dans des cas précis. Le développement de nouvelles techniques d'exploration des modulations des activités du système nerveux autonome pouvant être adapté à différents sujets pourrait permettre de généraliser l'étude des paramètres cardiorespiratoires.Dans cette étude, nous avons mis en relation une méthode d'analyse géométrique du rythme cardiaque avec cette méthode spectrale et également développé une autre méthode, basée sur un codage symbolique de la variabilité cardiorespiratoire. Cette dernière méthode, liée à une estimation du taux d'entropie pour la détermination de la longueur du modèle à employer pour l'étude d'un sujet, donne une valeur de la coordination entre les rythmes cardiaques et respiratoires.Appliquées chez des adolescents épileptiques traités par stimulation vagale, ces trois méthodes ont montré des modifications des activités du système nerveux autonome. De plus, dans cette partie, nous avons pu démontrer la non fiabilité des résultats issues de la méthode spectrale chez des sujets jeunes en conservant les paramètres d'origines. Les méthodes géométrique et symbolique ont enfin été exploitées pour l'étude d'adultes et de nouveaux nés présentant des crises. Les paramètres d'enregistrements ne permettant pas d'obtenir des résultats précis sur l'analyse du système nerveux chez l'enfant, des propositions pour les améliorer ont été faites et de futures conclusions potentiellement intéressantes concernant la compréhension du développement des crises sont attendues.