Djezzar, Nedjma (2020) Proposition d'un modèle global de coordination d'entités inspiré du Quorum Sensing des bactéries., A Proposition of a global model of coordinated entities inspired from bacterial Quorum Sensing. École doctorale Mathématiques, Informatique et Télécommunications (Toulouse).

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Abstract

La biologie est une riche source d'inspiration pour la conception d'artefacts digitaux capables de comportements autonomes, coopératifs et distribués. En particulier, des liens conceptuels peuvent être établis entre (1) des réseaux de communication sans fils et (2) des colonies de bactéries qui tweetent à l'aide de molécules de signalisation chimiques.L'objectif de cette thèse est donc de proposer un modèle multiagent computationnel distribué d'un système de communication bactérien inter-espèces, appelé quorum sensing, et d'analyser son autosuffisance et son aptitude à s'auto-organiser pour former des réseaux sans fil artificiels coopératifs. Plus précisément, nous proposons une approche multiagent « ascendante » associée à des équations différentielles ordinaires, qui représentent une abstraction des dynamiques intracellulaire, tel qu’un modèle proposé de métabolisme.Les résultats montrent l’émergence de comportements énergétiquement autosuffisants grâce au modèle de métabolisme proposé, qui permet aux bactéries de croitre, de se reproduire, d’interagir et de coopérer au niveau populationnel afin d’exhiber des comportements bénéfiques d’hétérogénéité phénotypique et une auto-organisation de la bioluminescence. Les résultats montrent également que les colonies de cellules bactériennes ont des capacités intrinsèques de régénération analysées dans le cas d'endommagement (mort cellulaire) réalisé dans une zone sélectionnée ainsi que dans le cas d’une mort cellulaire aléatoire.Les réseaux artificiels résultants présentent plusieurs propriétés bénéfiques et pourraient être utilisés pour l’émergence de topologies de réseau sans fil résilients, sans l’utilisation des données de géolocalisation ni de messages de contrôle global (centralisé). De plus, l'évolution de la coopération lors du développement du réseau artificiel conduit à l'émergence de stratégies coercitives non prédites lors de la conception du système. Il a été démontré que la coercition est bénéfique pour le partage d’intérêts communs entre des variantes de coopérateurs dans le système ce qui permet à une connexion optimal au réseau de toute les cellules de la population.

Biology is a rich source of inspiration for the design of digital artifacts capable of autonomous, cooperative and distributed behaviors. In particular, conceptual links can be established between (1) wireless communication networks and (2) bacterial colonies that “tweet” using chemical signaling molecules.The aim of this thesis is to propose a distributed computational multiagent model of an inter-species bacterial communication system, called quorum sensing, and analyze its self-sustainability and its ability to self-organize to form co-operative artificial networks. Specifically, we propose a "bottom-up" multiagent approach associated with ordinary differential equations, which represent an abstraction of intracellular dynamics, such as a proposed model of metabolism.The results show the emergence of energetically self-sustainable behaviors through the proposed metabolism model, which allows bacteria to grow, reproduce, interact and collaborate at the population level to exhibit beneficial behaviors of phenotypic heterogeneity and self-organization of bioluminescence. The results also show that bacterial cell colonies have intrinsic regeneration capacities analyzed in the case of damage (cell death) performed in a selected area as well as in the case of random cell death.The resulting artificial networks have several beneficial properties and could be used for the emergence of resilient wireless network topologies without the use of location data or overhead messages. In addition, the evolution of cooperation during the development of the artificial network leads to the emergence of coercive strategies not predicted during the design of the system. It has been shown that coercion is beneficial for sharing common interests between variants of cooperators in the system which allows an optimal connection to the network of all the cells of the population.