La modélisation constitue une composante intrinsèque de la Fédération d’Ingénierie Lyon-St Etienne, et vise à représenter la complexité des systèmes physiques et vivants dans un cadre simplifié et contrôlé, par des approches complémentaires, de nature théorique et numérique, alliées à des méthodes et moyens de caractérisation très largement basés sur des méthodes d’imagerie de pointe. Ces approches duales modélisation-imagerie reflètent pour notre Fédération une vision transverse aux enjeux sociétaux dans lesquels l’Ingénierie joue un rôle majeur. En effet, les systèmes visés, qui revêtent une forme initiale fondamentale, sont déclinés dans les enjeux des matériaux, du transport, de l’énergie, de l’environnement, du manufacturing, de la santé, … Ces systèmes d’intérêt sont par nature complexes car nonlinéaires, qu’il s’agisse de processus physiques et chimiques hors d’équilibre, de phénomènes multi-physiques, d’interactions entre dispositifs implantés et tissus vivants, d’interactions fluide-structure ou rayonnement-matière, d’interactions entre corps au sein d’interfaces tribologiques, de matière molle, de matière divisée ou multi-architecturée (métamatériaux), de turbulence, …

La reconnaissance du site Lyon-St Etienne vient de sa capacité à aborder ces phénomènes couplés dynamiques par des dialogues ‘modélisation numérique-modélisation physique’ poussés, et ce à diverses échelles, où la simulation appuie le design de moyens d’investigation expérimentaux tout à fait originaux développés par exemple à travers les divers Equipex et plate-formes déjà mentionnés, et où l’exploitation des campagnes expérimentales ne peut se
faire qu’à travers des modélisations numériques avancées. Ceci passe bien évidemment par une expertise de pointe en modélisation-simulation, autant qu’en imagerie-caractérisation. Ces activités de recherche sont menées à travers des relations partenariales reconnues (Labcom Ampere/Safran, Chaire industrielle Hexcel, …), et les plate-formes et projets fédératifs auxquels la Fédération d’Ingénierie contribue activement, souvent en collaboration avec d’autres fédérations du site (Labex iMust, Equipex Equip@meso).

Du côté de la modélisation-simulation, ces dernières années un effort particulier a porté sur la maîtrise de la qualité des modèles numériques devenus incontournables pour la compréhension de physiques complexes et la conception robuste de systèmes. Tirant partie des puissances de calcul désormais accessibles (Equipex Equip@meso) pour enrichir les modèles ou bien pour coupler des approches à diverses échelles - upscaling - ab-initio « dynamique moléculaire « éléments finis -, la modélisation développée par la Fédération traite l’ensemble du spectre des problématiques actuelles du domaine. Les interactions avec la physique, les mathématiques et l’informatique (Labex iMust) ont contribué à renforcer la robustesse de ces simulations mises en oeuvre la plupart du temps dans un cadre
massivement parallèle, où le caractère stochastique devient fondamental pour capter finement la variabilité des paramètres dans la complexité des phénomènes; par exemple à des fins d’identification des propriétés des milieux étudiés. Dans tous les cas, une attention particulière doit être portée à la mise au point de méthodes numériques adaptées et robustes permettant d'extraire de manière quantitative des données d'imagerie, des champs ou des paramètres physiques.

Dans le domaine de l’imagerie, le site de Lyon - St Etienne est doté des équipes de recherche inter et transdisciplinaires les plus en pointe. Que ces équipes soient spécialisées en imagerie stricto sensu (imagerie physique, électronique, informatique, et mathématique) ou soient constituées de nombreux utilisateurs d’imagerie dont les interactions autour de ces méthodes conduisent à des innovations de rupture. Par exemple, la microtomographie X initialement dédiée au domaine médical a été adaptée à Lyon pour la caractérisation de l’architecture et l’étude de l’endommagement des matériaux. Dans le même esprit, l’adaptation de la microscopie électronique à balayage environnemental, technique dédiée à la science des matériaux, est depuis quelques années développée pour l’observation de tissus vivants en milieu physiologique simulé ou non. Les champs couverts par les recherches en imagerie, conduites au sein de la Fédération d’Ingénierie, peuvent être regroupés selon des approches in silico, in/ex vivo, in operando. L’approche in silico regroupe tout le potentiel numérique nécessaire au traitement, à l’analyse, la modélisation et la simulation d’images, particulièrement dans les domaines des matériaux et de la santé. Partant d’un dispositif d’imagerie donné et d’un milieu d’observation, il s’agit de modéliser et optimiser la chaîne d’acquisition allant des traitements bas niveau (reconstruction, débruitage,…) jusqu’aux traitements haut niveau pour l’estimation d’informations physiques, physiologiques ou sémantiques. Dans le domaine médical, la radiologie virtuelle et la modélisation fonctionnelle du vivant sont alimentées par l’imagerie in/ex vivo aux échelles moléculaire, cellulaire et tissulaire. Cette approche transdisciplinaire permet une recherche translationnelle vers la détermination de nouveaux biomarqueurs cliniques (morphologiques, de structures, mécaniques, hémodynamiques, biochimiques, …) pour le diagnostic précoce et le guidage thérapeutique qui positionne notre site comme un des leaders internationaux reconnu de l’imagerie médicale. Enfin, le développement de la microscopie in operando connait un essor remarquable depuis un certain nombre d’années sur les sites de Lyon-St Etienne. Les techniques mises au point permettent de suivre en condition suffisamment représentative des conditions ‘en service’ (effets des contraintes, de la température, de l’environnement dans le cas des fluides physiologiques ou lubrifiants par exemple), le comportement des matériaux et de systèmes, pour mieux comprendre les modes d’endommagement en service, leurs évolutions. Cette spécificité s’appuie sur le développement de tous les outils de microscopie, à toutes les échelles : optique, holographique, électronique à balayage ou à transmission, à champ proche, la microscopie électrochimique, mais aussi les ultrasons, l’IRM, la thermographie, les courants de Foucault, les scanners à rayons X ou à positrons,… pour l’observation d’abord, mais en intégrant surtout la notion de couplage fonctionnel auquel est soumis le matériau.

Tirant partie des développements les plus récents, tant du côté modélisation que du côté imagerie, la tendance lourde de l’ingénierie sur Lyon-St Etienne consiste à mettre en oeuvre des méthodes d’investigation à très faible échelle, se rapprochant fréquemment des activités des Fédérations de Physique et de Chimie (Plateforme Nanolyon). Ces méthodes relèvent aussi bien de la caractérisation de phénomènes physiques aux échelles moléculaires ou atomiques (CLYM, ESRF) de la matière condensée ou des tissus biologiques (Labex PRIMES), que de méthodes de modélisation numérique de type atomistique souvent couplées à des méthodes de résolution, conventionnelles (éléments finis, atomistique) ou non (SPH, X-FEM, multigrilles, Boltzmann sur réseaux, … ). A ces échelles, le lien entre l’observation – ‘l’image’ - et la modélisation correspondante est exacerbée ; plus critique encore qu’aux échelles supérieures. Dans le même temps, les travaux de reconstruction d’image, participant au développement du passage des observations 2D aux observations 3D, sont une étape importante dans la définition des lois de comportements physique, thermique, réactionnels des matériaux et contribuent à la définition de nouvelles architectures, de nouveaux matériaux ou nouvelles texturations de surface.

Durant la prochaine décennie, la Fédération d’Ingénierie Lyon-St Etienne continuera à structurer au mieux ces activités de modélisation et d’imagerie afin de relever les défis qui se présentent. Ceci passe également par une collaboration de plus en plus significative avec les Fédérations de Physique et de Chimie, tout en s’ouvrant aux autres disciplines connexes à l’ingénierie telles que les mathématiques ou l’informatique, technologie pour la santé.