Thèse Conception d'Un Système Intelligent Ultra-Basse Consommation pour le Suivi Télémétrique Sous-Cutané des Jeunes Populations de Requins Marteaux aux Îles Galápagos H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National Polytechnique de Toulouse École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Laboratoire de recherche : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Direction de la thèse : Hélène TAP ORCID 0000000236208114 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Les populations de requins marteaux (Sphyrna lewini) de l'archipel des Galápagos constituent une espèce clé mais critique pour l'équilibre des écosystèmes marins. Le Galapagos Science Center (GSC) étudie les déplacements de ces squales afin de mieux cerner leurs routes migratoires et leurs zones de nourricerie. Néanmoins, l'étude des individus dès leur plus jeune âge se heurte à un verrou technologique majeur : les balises de marquage du commerce sont trop volumineuses pour être implantées de manière sous-cutanée sur des bébés requins sans altérer leur comportement ou leur survie.

La thèse vise à développer un SOC bio-compatible, communiquant, ultra-basse consommation. Ce système innovant devra associer plusieurs capteurs, dans un environnement contraint (surface, gamme de température, pression élevée) et rester fonctionnel a minima jusqu'à l'âge adulte des requins en dehors de toute intervention humaine.

Plusieurs verrous technologiques devront être levés au cours de la thèse :
- Le premier verrou réside dans la gestion et la récupération d'énergie au sein d'un environnement marin hautement dynamique. Il s'agit d'extraire l'énergie environnementale, souvent intermittente et à très faible rendement, pour les besoins d'un système devant assurer l'acquisition continue de données et leur transmission sans fil, le tout sans dégrader l'autonomie du micro-dispositif.
- Le deuxième verrou concerne l'atténuation sévère des signaux et la co-conception de l'antenne ou du transducteur pour la propagation en milieu biologique et aquatique. La transmission des données à travers les tissus sous-cutanés du jeune requin puis dans l'eau de mer impose des contraintes de puissance strictes et exige le développement d'architectures de communication à très haut rendement énergétique.
- Enfin, le troisième verrou tient à l'intégration monolithique et à la miniaturisation extrême du système. Le compromis entre le bruit des circuits analogiques de lecture, la précision des capteurs de pression et de température, et le maintien d'une consommation submicrowatt dans des conditions environnementales fluctuantes nécessite de repousser les limites de la conception microélectronique mixte ultra-basse consommation.
La conduite de ce projet repose sur un partenariat interdisciplinaire et international solide entre le LAAS-CNRS à Toulouse (France) et le Galapagos Science Center (GSC), structure conjointe entre l'Université de San Francisco de Quito et l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill. L'équipe académique française apporte son expertise en conception et simulation d'ASICs analogiques et mixtes ainsi qu'en programmation de circuits numériques type microcontrôleurs, FPGA, SOC. De son côté, le partenaire équatorien assure la définition fine du cahier des charges biologique, la fourniture des données terrain et la mise à disposition des infrastructures nécessaires aux tests d'ergonomie et d'implantation.
Le déroulement de la thèse s'articulera comme suit : La première année sera consacrée à la consolidation de l'architecture globale du SoC, à la co-conception des blocs d'acquisition et de gestion d'énergie, ainsi qu'à la sélection de capteurs sur étagère ou intégrés sur silicium. La deuxième année sera consacrée à la conception de l'ASIC assurant l'Analog Front End et le lien avec les circuits numériques, suivies de l'optimisation des modules de communication et du développement d'un système complet répondant au cahier des charges. La troisième et dernière année permettra de valider le fonctionnement du prototype, de réaliser les tests préliminaires d'intégration sous-cutanée en collaboration avec les équipes scientifiques aux îles Galápagos, et de valoriser les résultats par la rédaction de publications internationales et du manuscrit de thèse. Endangered hammerhead shark (Sphyrna lewini) populations in the Galápagos require precise monitoring of their nursery grounds and migratory routes from their earliest life stages. While in situ telemetry (bio-logging) is essential to behavioral ecology, current tracking tags are too bulky and heavy for subcutaneous implantation in juveniles without altering their daily behavior or even compromising their survival. The challenge is therefore to design a new generation of miniaturized, biocompatible tags that can operate autonomously over several years.

Realizing such a device requires overcoming the current limitations of integrated circuits (SoC / ASIC) in constrained environments:

Energy management and autonomy: Ensuring long-term sub-microwatt operation by combining an ultra-efficient power management integrated circuit (PMIC) with energy harvesting in a dynamic marine environment.

Propagation in biological media: Overcoming severe signal attenuation through subcutaneous tissue and seawater, which imposes heavy constraints on the system and significantly degrades signal integrity.

System miniaturization: Integrating the Analog Front-End (AFE), analog-to-digital signal conversion, signal conditioning and shaping, as well as wireless transmission onto a minimal silicon footprint. Incorporating sensors (pressure, temperature, motion) while maintaining measurement accuracy under harsh environmental fluctuations. Etudier l'impact du dérèglement climatique sur les populations de requins marteaux qui constituent une espèce clé mais critique pour l'équilibre des écosystèmes marins.

Investigating the impact of climate change on hammerhead shark populations, which represent a key species critical to the balance of marine ecosystems. The methodology follows an iterative approach divided into four major phases, ranging from theoretical specifications to in situ validation.
Phase 1: Specifications and System Architecture Co-design (Year 1)
- Definition of specifications: Translating biological constraints (subcutaneous dimensions, biocompatibility, very long mission profile) and environmental conditions (hydrostatic pressure, temperature range) into electrical specifications (sub-microwatt power budget, noise, bandwidth).
- Sensor selection and modeling: Evaluating off-the-shelf (COTS) sensor technologies (pressure, temperature, accelerometry, etc.) versus direct silicon integration.
- High-level SoC modeling: Overall behavioral simulation of the system using Matlab/Simulink or Python environments to balance trade-offs between sampling rate, accuracy, and power consumption.
Phase 2: Microelectronic Design and Fine Simulations (Years 1 and 2)
- Analog Front-End (AFE) design: Developing ultra-low-power (ULP) and low-noise readout chains for sensor data acquisition.
- Power Management Integrated Circuit (PMIC) and Energy Harvesting: Designing conversion, storage, and regulation circuits tailored to the characteristics of the environmental energy harvesting source.
- Digital architecture and software: Integrating control logic (microcontroller/FPGA) and optimizing data compression and management algorithms prior to transmission.
- Transmission chain co-design: Simulating and optimizing the transmitter block (RF/acoustic) alongside the antenna/transducer to minimize attenuation through biological tissues and seawater.
Phase 3: Prototyping and Benchtop Validation (Year 2 and early Year 3)
- Fabrication (Tape-out): Submitting mask layouts to a semiconductor foundry via multi-project wafer services (e.g., CMP).
- Electrical characterization in the laboratory (LAAS-CNRS): Performing experimental tests on dedicated measurement benches to validate power consumption, noise levels, metrological accuracy, and power stage efficiency.
- Assembly and encapsulation: Integrating the device into a compact System-in-Package (SiP) with a biocompatible coating suitable for implantation.
Phase 4: Experimental Validation and Integration Testing (Year 3)
- Preliminary tests on bio-models: Validating the ergonomics, mechanical behavior, and transmission profile of the micro-device at the Galapagos Science Center (GSC).
- Performance analysis and refinements: Processing data collected during field trials, evaluating the long-term viability of the tag, and providing recommendations for future deployments on juvenile sharks.

Le projet s'adresse ainsi à un candidat titulaire d'un Master 2 ou d'un diplôme d'ingénieur en microélectronique analogique et numérique, démontrant un vif intérêt pour l'instrumentation scientifique et la préservation de la biodiversité marine.

Application link: https://edd-projets.utoulouse.fr/