L'institut naXys s'est spécialisé dans l'analyse des systèmes complexes, qu'il s'agisse d'astronomie et de cosmologie dynamique, de biologie mathématique, d'optimisation en optique, de complexité économique ou encore de l'étude de la stabilité et de la robustesse de ces systèmes.

Quel est le point commun entre le cerveau humain, les réseaux sociaux, les systèmes financiers, l'univers, les systèmes optiques, le métabolisme ou le génome ? 

Ce sont des exemples classiques de systèmes complexes, c'est-à-dire des systèmes composés d'un grand nombre d'éléments simples en interaction et présentant des phénomènes émergents. L'objectif principal de l'Institut de recherche naXys est l'étude de ces systèmes complexes, à travers l'analyse de données réelles, leur modélisation par les mathématiques et les simulations numériques, leur contrôle et leur optimisation. 

Notre conviction est qu'une bonne compréhension des systèmes nécessite une étape de modélisation, qui permet d'identifier les relations de cause à effet entre les différents paramètres et d'identifier les mécanismes par lesquels ils opèrent. Cette abstraction doit être basée sur une validation empirique, mais l'exploitation des données seules n'est ni suffisante ni satisfaisante. C'est pourquoi une connaissance du domaine spécifique et l'utilisation d'outils adéquats de modélisation, d'analyse et de simulation sont indispensables.

Les axes de recherche

  • Astronomie dynamique, cosmologie et astrobiologie (SPACE)
  • Biologie mathématique (BIO)
  • Ingénierie optique et optique quantique (OPTICS)
  • Algorithmes d'optimisation, intelligence artificielle et robotique (AI)
  • Complexité socio-économique (ECO)
  • Stabilité et robustesse (ROBUST)

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Du jeu vidéo à l’intelligence artificielle, escale au Japon

Communication
Transition numérique
Mathématique
Informatique
Intelligence Artificielle

Près de 10 000 kilomètres séparent la Belgique du Japon, un pays qui fascine, notamment pour sa culture riche et pleine de contrastes. Les chercheurs de l’UNamur entretiennent des liens étroits avec plusieurs institutions nipponnes, notamment dans les domaines de l’informatique, des mathématiques ou encore du jeu vidéo. Coup de projecteur sur quelques-unes de ces collaborations.

Japon

Le Japon est une référence mondiale en matière de jeu vidéo. Nintendo, Sony, Sega… autant d’entreprises qui ont marqué la culture populaire contemporaine. Cette industrie, Fanny Barnabé la connaît bien. Chargée de cours à la Faculté Économie Management Communication sciencesPo (EMCP) et chercheuse à l’Institut de recherche CRIDS/NaDI, elle est spécialisée en game studies, un champ de recherche consacré à l’étude des jeux. Après une thèse de doctorat dédiée au détournement vidéoludique dans l’univers fictionnel de Pokémon, défendue en 2017, elle a réalisé un séjour postdoctoral d’un an au Ritsumeikan Center For Game Studies (Ritsumeikan University, à Kyoto), le plus grand centre de recherche sur le jeu vidéo de l’archipel. Reconnu à l’international, celui-ci a notamment la chance d’accueillir un fonds d’archives exceptionnel et inédit, qu’il doit à une donation du géant Nintendo.

Le Japon : un terreau fertile pour les recherches en game studies

« Ce séjour m’a permis de nouer des contacts durables avec les chercheurs du Centre et de m’insérer un peu plus dans le champ un peu de niche du jeu vidéo japonais », explique Fanny Barnabé. « Le Japon compte des chercheurs et des chercheuses de premier plan, reconnus à l’international, mais également des figures de l’industrie facilement mobilisables, grâce à la place importante qu’occupe le pays en termes de production de jeux vidéo. »

fanny-barnabe-japon

Plusieurs années et travaux de recherche plus tard, Fanny Barnabé s’est rendue une nouvelle fois au Japon à la fin du mois de mai, à l’occasion d’une mission académique. Objectif : présenter les derniers travaux menés à l’UNamur, notamment en ludopédagogie ou « serious game » et, elle l’espère, jeter les bases de nouveaux partenariats et échanges étudiants.

L’IA verte en ligne de mire

La Faculté d’informatique entretient des liens de longue date avec le National Institute of Informatics (NII), un institut de recherche internationalement reconnu situé en plein cœur de Tokyo. Chaque année, des étudiants de Master et des doctorants de la faculté y sont accueillis pour une période de quatre à six mois afin d’y effectuer un stage et de mener à bien des projets de recherche, via un accord de collaboration spécifique (Memorandum Of Understanding agreement, ou MOU). Une expérience très appréciée par les étudiants et les doctorants, tant sur le plan scientifique qu’humain. 

Gilles Perrouin, chercheur et président de la Commission de la recherche de la Faculté d’informatique, accompagne ces étudiants dans la présentation de leur sujet de recherche, souvent axé dans les domaines du génie logiciel, de l’intelligence artificielle (IA) ou, plus récemment, de l’IA verte. « Ce sont des domaines de recherche qui évoluent très vite », précise Gilles Perrouin. « Il existe beaucoup de débats actuellement autour de la consommation énergétique de l’IA. C’est un peu un oxymore de dire qu’on peut faire de l’IA verte. Mais on y travaille via l’exploration de techniques plus malignes lors de la recherche de solutions prometteuses afin d’éviter le recours à l’entraînement systématique du réseau de neurones, très coûteux en énergie », explique le chercheur. La collaboration a donné lieu à l’exploration d’autres domaines de l’IA, tels que la reconnaissance de la langue des signes (professeur Benoît Frénay), en plus des sujets en méthodes formelles et génie logiciel (professeurs Pierre-Yves Schobbens et Xavier Devroey). 

La mission académique à laquelle a également pris part Gilles Perrouin en mai 2025, avait notamment pour objectif de renouveler l’accord de collaboration avec le NII, mais également de susciter de nouveaux partenariats prometteurs dans les domaines du génie logiciel, de l’IA, l’éthique ou la cybersécurité. 

 

équipe-gilles-perrouin-japon
Pierre Poitier (troisième au fond à droite) a rejoint en 2024 l’équipe du professeur Satoh pour son doctorat sur l’IA appliquée à la langue des signes.

Les systèmes dynamiques sous la loupe

Au sein du Département de mathématique, Alexandre Mauroy, professeur et chercheur au Namur Institute for Complex Systems (naXys), travaille avec son collaborateur de longue date et ami Yoshihiko Susuki de la prestigieuse Université de Kyoto sur un projet co-financé par le F.N.R.S et le JSPS (Japon) visant à étudier les systèmes dynamiques. « Il s’agit de phénomènes dits “non-linéaires” qui ne respectent pas les règles de la proportionnalité. Les équations sont donc très difficiles, voire impossibles à résoudre en pratique », explique Alexandre Mauroy. « Pour contourner ce problème, on mobilise des techniques comme la théorie des opérateurs, que l’on étudie dans le cadre de ce projet. » Celui-ci a l’avantage de combiner les aspects théoriques et applications pratiques, notamment dans le domaine des réseaux de distribution électrique. « Ce sont des systèmes complexes, avec des dynamiques lentes et rapides. Un cas intéressant pour lequel les outils mathématiques doivent être adaptés. », poursuit Alexandre Mauroy. Ce premier partenariat positif a déjà permis des séjours de recherche entre les deux pays et promet de nouvelles collaborations dans le futur.

Dans un domaine voisin, Riccardo Muolo effectue depuis 2023 un postdoctorat à l'Institute of Science Tokyo, après avoir mené une thèse de doctorat à l’UNamur sous la supervision du professeur Timoteo Carletti. Dans la lignée des connaissances acquises lors de son doctorat sur la dynamique des réseaux, Riccardo Muolo s'intéresse aujourd’hui à la théorie de la synchronisation des réseaux, un modèle mathématique permettant de comprendre des systèmes très variés : des lucioles aux réseaux électriques en passant par le fonctionnement du cerveau humain : « Par exemple, dans le cerveau, une synchronisation anormale des réseaux neuronaux est associée à des pathologies comme l’épilepsie ou Parkinson. La récente faillite du réseau électrique en Espagne peut également s'analyser au travers de cette théorie », détaille le chercheur. 

Mobilité étudiante 

Les étudiants qui ont soif d’effectuer une partie de leur cursus au Japon ont la possibilité de le faire au moyen de différents accords que l’UNamur a conclus avec des établissements de l’Archipel. C’est le cas avec le National Institute of Informatics (NII), mais aussi avec la Soka University et la Sophia University (Chiyoda), avec lesquelles l’UNamur a signé des accords cadres. 

Cet article est tiré de la rubrique "Far away" du magazine Omalius #35 (Juillet 2025).

Omalius #37

Let’s Twist (Light) Again : l’UNamur et Stanford University courbent les faisceaux dans les cristaux photoniques

Physique et astronomie

Une équipe internationale de chercheurs vient de publier dans la prestigieuse revue Light : Science & Applications (LSA) du groupe Nature.  Les équipes des professeurs Michaël Lobet et Alexandre Mayer (Université de Namur) ont collaboré avec l’équipe du professeur Shanhui Fan, l’un des plus grands spécialistes en la matière, de la prestigieuse Université de Stanford, en Californie (USA).  Le résultat : un article intitulé « Twist-Induced Beam Steering and Blazing Effects in Photonic Crystal Devices” ou l’étude de la déviation d’un faisceau par torsion dans les dispositifs à cristaux photoniques.  Allez, on re-twiste à l’UNamur ! 

Twisted photonic crystals allow for steering information into particular directions, as the present work from Stanford University and University Namur illustrates

Tout a commencé par le voyage de Nicolas Roy à Stanford.  Nicolas est doctorant au sein du Département de physique et membre des Instituts NISM et NaXys. La visite à Stanford avait pour objectif de développer une expertise à l’UNamur sur une méthode nouvelle de simulation de cristaux photoniques twistés, récemment publiée par la prestigieuse université. À la suite des discussions lors du séjour à Stanford, des pistes de collaborations sont apparues, notamment celle de poursuivre les recherches relatives à l’une de leurs publications afin de tenter de rendre un dispositif qui permet de manipuler la direction du faisceau lumineux le plus efficace et compact possible.  

Pari réussi puisque l’étude théorique prévoit un dispositif de 6 microns (soit la taille d’un cheveu) !  De plus, il est très économe en énergie.  Concrètement, il peut permettre de suivre des satellites par exemple, sans bouger l’émetteur ou le récepteur, ce qui est compliqué dans un circuit photonique.  Une autre application concrète est à l’étude pour la société Meta, qui souhaite réduire la taille des casques de réalité virtuelle à une simple paire de lunettes… 

Durant sa thèse de doctorat, et en s’appuyant sur une publication de l’équipe de Stanford intitulée “Theory for Twisted Bilayer Photonic Crystal Slabs, Nicolas a reproduit la méthode de simulation et mis au point un modèle analytique des simulations numériques. L’emploi de ces simulations peu coûteuses a permis de trouver les structures photoniques les plus capables de dévier la lumière de manière contrôlée. Le modèle analytique quant à lui permet de fournir une explication à ce qui a été observé et donc de mieux comprendre ce qu’il se passe. En bref, cela donne des perspectives de fabrication plus simples pour les futurs dispositifs. 

 « L’intelligence computationnelle, combinant machine learning et optimisation/automatisation par des algorithmes, permet, en effectuant de très nombreux et rapides calculs d’économiser le temps humain.  A titre de comparaison, les calculs qui étaient effectués sans l’utilisation de cette méthode mise au point par l’équipe de recherche de Stanford prenaient plusieurs jours. Nous avons maintenant des simulations durant 1h. Les méthodes de machine learning que j’ai mise au point permettent maintenant de les réaliser en moins d’une seconde ! » 

Nicolas Roy Chercheur à l'Institut naXys

Un modèle, mais pour quoi faire ?

Les équipes de recherche qui collaborent dans cette étude travaillent sur les cristaux photoniques twistés, c’est-à-dire des matériaux bidimensionnels, formés, par exemple de 2 couches de silicium superposées et structurées, et leur interaction avec la lumière.  

Un peu comme un sandwich constitué de 2 tranches de pain qu’on pourrait faire glisser l’une sur l’autre.   

 

Légende de l’illustration : représentation schématique du dispositif photonique désorientée servant à modifier la direction de la lumière de manière dynamique.

Représentation schématique du dispositif photonique désorientée servant à modifier la direction de la lumière de manière dynamique.

Dans la conception d’un modèle analytique, Nicolas Roy s’est également servi d’une théorie connue depuis les années 60 : les réseaux échelette.  Un réseau échelette est un réseau de diffraction plan ayant le profil en dents de scie.  Concrètement, cela ressemble aux toits des anciennes usines.  La nouveauté qu’il a apportée en utilisant cette notion, c’est de permettre de comprendre le mécanisme qui permet le contrôle de l’angle de sortie du faisceau lumineux grâce au twist entre les deux couches. Ce faisant, il a identifié que le système agissait similairement au réseau échelette. L’équipe, grâce à des méta-modèles, a permis de concentrer la lumière dans une direction bien précise avec une efficacité de 90%.  

Maitriser la lumière

Le but de ce genre de structure twistée ?  Devenir maître de la lumière et fabriquer in fine des systèmes qui permettent de la ralentir, voire de l’arrêter.   

Image
Portrait Michaël Lobet

Une prouesse pour ce bolide, la lumière, qui se déplace à plus de 300 000 km/s ! C’est la vitesse la plus rapide que l’on puisse atteindre dans l’univers. La ralentir n’est donc pas une mince affaire. Dans ce genre de structures désorientées, la lumière est piégée mais son état est préservé : elle est mise « sur pause », en quelque sorte.  On peut imaginer concrètement pouvoir améliorer les caractéristiques des lasers ou les performances des ordinateurs quantiques. Une application importante serait de créer des mémoires optiques, qui permettrait de stocker les bits lumineux sans les détruire et de les libérer à volonté. Ou tout du moins les ralentir le temps d’effectuer les opérations mathématiques nécessaires au calcul tout optique. Une autre application est de profiter du ralentissement de la lumière pour exalter les interactions lumière matière. Cela peut servir à augmenter le rendement de réactions chimiques en photocatalyse notamment. Ces réactions photocatalytiques sont utiles pour le traitement de l’eau ou le traitement de l’air par exemple, sujets sur lesquels travaillent les professeurs Olivier Deparis et Bao-Lian Su au sein de l’institut NISM.

Professeur Michaël Lobet Université de Namur

Cette technique du twist ouvre donc bien des possibilités encore inexplorées en photonique en ajoutant un degré de contrôle de la lumière.  Les chercheurs poursuivent leurs recherches dans ce sens, en continuant cette collaboration fructueuse avec l’équipe du professeur Fan, de l'Université de Stanford, USA.  

Décidément, on n’a pas fini de twister à l’UNamur ! 

Les équipes de recherche impliquées

L'équipe belge

L'équipe américaine

  • Professeur Shanhui Fan (Université de Stanford)
  • Dr Beicheng Lou

Remerciements

Les chercheurs remercient l’UNamur, et plus spécifiquement le Département de physique et l’Institut NISM pour avoir financé le voyage de Nicolas Roy, l’Institut naXys pour son soutien dans ce projet,  la plateforme technologique PTCI, dont les supercalculateurs ont rendu cette étude possible ainsi que le FNRS pour le financement des mandats de recherche de Michaël Lobet et Alexandre Mayer.

Deux publications prestigieuses pour nos chercheurs en dynamique des réseaux

Mathématique
Sciences
Sciences de la vie et de la santé
Sciences humaines et sociales
Publication

Maxime Lucas est Chargé de recherche FNRS au Département de mathématiques et membre de l’Institut naXys.  Il travaille sur les systèmes complexes au sein du pôle « Dynamique des réseaux » dirigé par le Professeur Timoteo Carletti.  Il est co-auteur de deux articles sur les systèmes complexes, récemment publiés dans des revues prestigieuses : Nature Physics et Physical Reviews Letters. 

Photo de Maxime Lucas, logos naXys et FNRS et illustration d'un vol groupe d'oiseaux (schéma et photo)

Analyse du comportement collectif dans les systèmes complexes

L’étude sur les systèmes complexes publiée dans Physical Reviews Letters soutient une tendance croissante qui se concentre davantage sur l'analyse du comportement collectif d'un système plutôt que sur la découverte des mécanismes d'interaction sous-jacents.

Lorsqu'on observe une volée d'étourneaux tourbillonnant dans le ciel en parfaite coordination - un phénomène connu sous le nom de murmuration - on assiste à l'interaction élégante d'actions individuelles créant un comportement collectif. En essayant de comprendre ces motifs fascinants, les chercheurs peuvent isoler des règles simples basées sur le champ de vision d'un oiseau individuel et la distance qui le sépare de ses voisins, mais il faut toujours se demander si le modèle capture réellement les processus à l'origine des interactions entre les oiseaux (Fig. 1). 

Il s'agit d'un problème général dans la recherche sur les systèmes complexes, qui revient à distinguer les mécanismes (les règles régissant les interactions) des comportements (les modèles observables qui émergent).

Figure 1 : Dans les volées d'oiseaux, chaque oiseau choisit son mouvement en fonction de la distance de séparation et de l'orientation de vol de ses voisins (à gauche). Ces règles simples peuvent produire des schémas complexes, tels que les «murmurations» d'étourneaux (à droite). De nouvelles recherches explorent la manière dont les mécanismes (règles individuelles) sont liés aux comportements (modèles collectifs) dans les réseaux qui représentent des systèmes complexes.

Schema d'oiseaux en vol et image d'un vol groupé d'oiseaux
APS/Alan Stonebraker; Airwolfhound

Les réseaux représentatifs d'individus en interaction, ou nœuds, constituent un bon moyen d'étudier les mécanismes par rapport aux comportements. Jusqu’à présent, les chercheurs se sont concentrés sur les interactions par paire, mais de nombreux systèmes comprennent également des interactions d'ordre supérieur entre plusieurs nœuds. L'impact de ces mécanismes d'ordre supérieur sur les comportements n'a pas été clairement établi. Thomas Robiglio, de l'Université d'Europe centrale de Vienne, et ses collègues, dont Maxime Lucas (CR FNRS – UNamur) ont abordé cette question.  Ils ont considéré des réseaux avec des interactions d'ordre supérieur et évalué les comportements qui en résultent en termes de dépendances statistiques entre les valeurs des nœuds. 

Les chercheurs ont identifié des signatures comportementales d'ordre supérieur qui, contrairement à leurs équivalents par paire, révèlent la présence de mécanismes d'ordre supérieur. Leurs conclusions ouvrent de nouvelles voies pour distinguer les mécanismes et les comportements lors de l'étude de systèmes complexes - une distinction qui est cruciale pour l’étude de l'inférence dans la science des réseaux, les neurosciences, les sciences sociales et au-delà.

Cette étude fait aussi l’objet d’un article "Featured in Physics" et "Editor's suggestion", et d'un article « commentaire » à la demande du journal, disponible sur leur site internet en anglais en version intégrale.

Namur Institute for Complex Systems (naXys)

L'institut naXys s'est spécialisé dans l'analyse des systèmes complexes, qu'il s'agisse d'astronomie et de cosmologie dynamique, de biologie mathématique, d'optimisation en optique, de complexité économique ou encore de l'étude de la stabilité et de la robustesse de ces systèmes.

Logo Institut naXys

Des chercheurs de l’UNamur publiés dans Nature Physics

Publication
Intelligence Artificielle
Physique et astronomie
Sciences de la vie et de la santé
Durable
ODD 9 - Industrie, innovation et infrastructure
ODD 13 - Mesures relatives à la lutte contre les changements climatiques

Le Professeur Timoteo Carletti de l’Université de Namur vient de publier dans la prestigieuse revue Nature Physics en collaboration avec la Professeure Ginestra Bianconi de l’Université Queen Mary de Londres et huit autres chercheurs internationaux. Cette étude révolutionnaire pourrait conduire au développement de nouveaux algorithmes d’IA, à de nouvelles façons d’étudier le fonctionnement du cerveau ou encore à des percées dans des disciplines telles que la physique, la science du climat, la finance et bien d’autres.

Timoteo Carletti, publié dans Nature Physics, institut naXys

L’étude, intitulée « Topology shapes dynamics of higher-order networks » propose un cadre théorique spécialement conçu pour comprendre les réseaux complexes d’ordre supérieur où plusieurs agents interagissent au même temps et donc qui généralisent les réseaux avec leurs interactions en couples. Plus précisément, l’étude montre la manière dont la topologie façonne la dynamique, la manière dont la dynamique apprend la topologie et de la manière dont la topologie évolue de manière dynamique.

L’objectif de ce travail est d’initier les physiciens, les mathématiciens, les informaticiens et les chercheurs en science des réseaux à ce domaine de recherche émergeant, ainsi que de définir les futurs défis de la recherche où la topologie discrète et la dynamique non linéaire se mélangent.

Avec les des données en leur possession, les chercheurs montrent que des systèmes complexes réels tels que le cerveau, les réactions chimiques et les réseaux neuronaux peuvent être facilement modélisés comme des réseaux d’ordre supérieur, caractérisés par des connexions multi-corps indiquant le fait que plusieurs éléments du système interagissent simultanément.

Cette équipe internationale est convaincue que la visibilité de leur travail au travers de cette publication dans Nature Physics permettra d’ouvrir la porte à des nouvelles collaborations avec d’autres disciplines qui s’appuient sur l’analyse des réseaux pour étudier des systèmes complexes réels.

Bravo à l’équipe pour cette publication !

Timoteo Carletti - Mini CV

Après une maîtrise en physique (université de Florence, juin 1995), Timoteo Carletti a poursuivi ses études doctorales à Florence (Italie) et à Paris (France) à l'IMCCE, et a finalement soutenu sa thèse de doctorat en mathématiques en février 2000. 

Il s’installe en Belgique en 2005, et est engagé à l'Université de Namur comme chargé de cours, puis comme professeur (2008), et enfin comme professeur titulaire (2011) au Département de mathématique de la Faculté des sciences.  En 2010, il a fait partie des créateurs du Namur Center for Complex Systems (devenu l’Institut Namur Institute for Complex Systems – naXys) dont il a assumé la direction jusqu'en décembre 2014.

Du jeu vidéo à l’intelligence artificielle, escale au Japon

Communication
Transition numérique
Mathématique
Informatique
Intelligence Artificielle

Près de 10 000 kilomètres séparent la Belgique du Japon, un pays qui fascine, notamment pour sa culture riche et pleine de contrastes. Les chercheurs de l’UNamur entretiennent des liens étroits avec plusieurs institutions nipponnes, notamment dans les domaines de l’informatique, des mathématiques ou encore du jeu vidéo. Coup de projecteur sur quelques-unes de ces collaborations.

Japon

Le Japon est une référence mondiale en matière de jeu vidéo. Nintendo, Sony, Sega… autant d’entreprises qui ont marqué la culture populaire contemporaine. Cette industrie, Fanny Barnabé la connaît bien. Chargée de cours à la Faculté Économie Management Communication sciencesPo (EMCP) et chercheuse à l’Institut de recherche CRIDS/NaDI, elle est spécialisée en game studies, un champ de recherche consacré à l’étude des jeux. Après une thèse de doctorat dédiée au détournement vidéoludique dans l’univers fictionnel de Pokémon, défendue en 2017, elle a réalisé un séjour postdoctoral d’un an au Ritsumeikan Center For Game Studies (Ritsumeikan University, à Kyoto), le plus grand centre de recherche sur le jeu vidéo de l’archipel. Reconnu à l’international, celui-ci a notamment la chance d’accueillir un fonds d’archives exceptionnel et inédit, qu’il doit à une donation du géant Nintendo.

Le Japon : un terreau fertile pour les recherches en game studies

« Ce séjour m’a permis de nouer des contacts durables avec les chercheurs du Centre et de m’insérer un peu plus dans le champ un peu de niche du jeu vidéo japonais », explique Fanny Barnabé. « Le Japon compte des chercheurs et des chercheuses de premier plan, reconnus à l’international, mais également des figures de l’industrie facilement mobilisables, grâce à la place importante qu’occupe le pays en termes de production de jeux vidéo. »

fanny-barnabe-japon

Plusieurs années et travaux de recherche plus tard, Fanny Barnabé s’est rendue une nouvelle fois au Japon à la fin du mois de mai, à l’occasion d’une mission académique. Objectif : présenter les derniers travaux menés à l’UNamur, notamment en ludopédagogie ou « serious game » et, elle l’espère, jeter les bases de nouveaux partenariats et échanges étudiants.

L’IA verte en ligne de mire

La Faculté d’informatique entretient des liens de longue date avec le National Institute of Informatics (NII), un institut de recherche internationalement reconnu situé en plein cœur de Tokyo. Chaque année, des étudiants de Master et des doctorants de la faculté y sont accueillis pour une période de quatre à six mois afin d’y effectuer un stage et de mener à bien des projets de recherche, via un accord de collaboration spécifique (Memorandum Of Understanding agreement, ou MOU). Une expérience très appréciée par les étudiants et les doctorants, tant sur le plan scientifique qu’humain. 

Gilles Perrouin, chercheur et président de la Commission de la recherche de la Faculté d’informatique, accompagne ces étudiants dans la présentation de leur sujet de recherche, souvent axé dans les domaines du génie logiciel, de l’intelligence artificielle (IA) ou, plus récemment, de l’IA verte. « Ce sont des domaines de recherche qui évoluent très vite », précise Gilles Perrouin. « Il existe beaucoup de débats actuellement autour de la consommation énergétique de l’IA. C’est un peu un oxymore de dire qu’on peut faire de l’IA verte. Mais on y travaille via l’exploration de techniques plus malignes lors de la recherche de solutions prometteuses afin d’éviter le recours à l’entraînement systématique du réseau de neurones, très coûteux en énergie », explique le chercheur. La collaboration a donné lieu à l’exploration d’autres domaines de l’IA, tels que la reconnaissance de la langue des signes (professeur Benoît Frénay), en plus des sujets en méthodes formelles et génie logiciel (professeurs Pierre-Yves Schobbens et Xavier Devroey). 

La mission académique à laquelle a également pris part Gilles Perrouin en mai 2025, avait notamment pour objectif de renouveler l’accord de collaboration avec le NII, mais également de susciter de nouveaux partenariats prometteurs dans les domaines du génie logiciel, de l’IA, l’éthique ou la cybersécurité. 

 

équipe-gilles-perrouin-japon
Pierre Poitier (troisième au fond à droite) a rejoint en 2024 l’équipe du professeur Satoh pour son doctorat sur l’IA appliquée à la langue des signes.

Les systèmes dynamiques sous la loupe

Au sein du Département de mathématique, Alexandre Mauroy, professeur et chercheur au Namur Institute for Complex Systems (naXys), travaille avec son collaborateur de longue date et ami Yoshihiko Susuki de la prestigieuse Université de Kyoto sur un projet co-financé par le F.N.R.S et le JSPS (Japon) visant à étudier les systèmes dynamiques. « Il s’agit de phénomènes dits “non-linéaires” qui ne respectent pas les règles de la proportionnalité. Les équations sont donc très difficiles, voire impossibles à résoudre en pratique », explique Alexandre Mauroy. « Pour contourner ce problème, on mobilise des techniques comme la théorie des opérateurs, que l’on étudie dans le cadre de ce projet. » Celui-ci a l’avantage de combiner les aspects théoriques et applications pratiques, notamment dans le domaine des réseaux de distribution électrique. « Ce sont des systèmes complexes, avec des dynamiques lentes et rapides. Un cas intéressant pour lequel les outils mathématiques doivent être adaptés. », poursuit Alexandre Mauroy. Ce premier partenariat positif a déjà permis des séjours de recherche entre les deux pays et promet de nouvelles collaborations dans le futur.

Dans un domaine voisin, Riccardo Muolo effectue depuis 2023 un postdoctorat à l'Institute of Science Tokyo, après avoir mené une thèse de doctorat à l’UNamur sous la supervision du professeur Timoteo Carletti. Dans la lignée des connaissances acquises lors de son doctorat sur la dynamique des réseaux, Riccardo Muolo s'intéresse aujourd’hui à la théorie de la synchronisation des réseaux, un modèle mathématique permettant de comprendre des systèmes très variés : des lucioles aux réseaux électriques en passant par le fonctionnement du cerveau humain : « Par exemple, dans le cerveau, une synchronisation anormale des réseaux neuronaux est associée à des pathologies comme l’épilepsie ou Parkinson. La récente faillite du réseau électrique en Espagne peut également s'analyser au travers de cette théorie », détaille le chercheur. 

Mobilité étudiante 

Les étudiants qui ont soif d’effectuer une partie de leur cursus au Japon ont la possibilité de le faire au moyen de différents accords que l’UNamur a conclus avec des établissements de l’Archipel. C’est le cas avec le National Institute of Informatics (NII), mais aussi avec la Soka University et la Sophia University (Chiyoda), avec lesquelles l’UNamur a signé des accords cadres. 

Cet article est tiré de la rubrique "Far away" du magazine Omalius #35 (Juillet 2025).

Omalius #37

Let’s Twist (Light) Again : l’UNamur et Stanford University courbent les faisceaux dans les cristaux photoniques

Physique et astronomie

Une équipe internationale de chercheurs vient de publier dans la prestigieuse revue Light : Science & Applications (LSA) du groupe Nature.  Les équipes des professeurs Michaël Lobet et Alexandre Mayer (Université de Namur) ont collaboré avec l’équipe du professeur Shanhui Fan, l’un des plus grands spécialistes en la matière, de la prestigieuse Université de Stanford, en Californie (USA).  Le résultat : un article intitulé « Twist-Induced Beam Steering and Blazing Effects in Photonic Crystal Devices” ou l’étude de la déviation d’un faisceau par torsion dans les dispositifs à cristaux photoniques.  Allez, on re-twiste à l’UNamur ! 

Twisted photonic crystals allow for steering information into particular directions, as the present work from Stanford University and University Namur illustrates

Tout a commencé par le voyage de Nicolas Roy à Stanford.  Nicolas est doctorant au sein du Département de physique et membre des Instituts NISM et NaXys. La visite à Stanford avait pour objectif de développer une expertise à l’UNamur sur une méthode nouvelle de simulation de cristaux photoniques twistés, récemment publiée par la prestigieuse université. À la suite des discussions lors du séjour à Stanford, des pistes de collaborations sont apparues, notamment celle de poursuivre les recherches relatives à l’une de leurs publications afin de tenter de rendre un dispositif qui permet de manipuler la direction du faisceau lumineux le plus efficace et compact possible.  

Pari réussi puisque l’étude théorique prévoit un dispositif de 6 microns (soit la taille d’un cheveu) !  De plus, il est très économe en énergie.  Concrètement, il peut permettre de suivre des satellites par exemple, sans bouger l’émetteur ou le récepteur, ce qui est compliqué dans un circuit photonique.  Une autre application concrète est à l’étude pour la société Meta, qui souhaite réduire la taille des casques de réalité virtuelle à une simple paire de lunettes… 

Durant sa thèse de doctorat, et en s’appuyant sur une publication de l’équipe de Stanford intitulée “Theory for Twisted Bilayer Photonic Crystal Slabs, Nicolas a reproduit la méthode de simulation et mis au point un modèle analytique des simulations numériques. L’emploi de ces simulations peu coûteuses a permis de trouver les structures photoniques les plus capables de dévier la lumière de manière contrôlée. Le modèle analytique quant à lui permet de fournir une explication à ce qui a été observé et donc de mieux comprendre ce qu’il se passe. En bref, cela donne des perspectives de fabrication plus simples pour les futurs dispositifs. 

 « L’intelligence computationnelle, combinant machine learning et optimisation/automatisation par des algorithmes, permet, en effectuant de très nombreux et rapides calculs d’économiser le temps humain.  A titre de comparaison, les calculs qui étaient effectués sans l’utilisation de cette méthode mise au point par l’équipe de recherche de Stanford prenaient plusieurs jours. Nous avons maintenant des simulations durant 1h. Les méthodes de machine learning que j’ai mise au point permettent maintenant de les réaliser en moins d’une seconde ! » 

Nicolas Roy Chercheur à l'Institut naXys

Un modèle, mais pour quoi faire ?

Les équipes de recherche qui collaborent dans cette étude travaillent sur les cristaux photoniques twistés, c’est-à-dire des matériaux bidimensionnels, formés, par exemple de 2 couches de silicium superposées et structurées, et leur interaction avec la lumière.  

Un peu comme un sandwich constitué de 2 tranches de pain qu’on pourrait faire glisser l’une sur l’autre.   

 

Légende de l’illustration : représentation schématique du dispositif photonique désorientée servant à modifier la direction de la lumière de manière dynamique.

Représentation schématique du dispositif photonique désorientée servant à modifier la direction de la lumière de manière dynamique.

Dans la conception d’un modèle analytique, Nicolas Roy s’est également servi d’une théorie connue depuis les années 60 : les réseaux échelette.  Un réseau échelette est un réseau de diffraction plan ayant le profil en dents de scie.  Concrètement, cela ressemble aux toits des anciennes usines.  La nouveauté qu’il a apportée en utilisant cette notion, c’est de permettre de comprendre le mécanisme qui permet le contrôle de l’angle de sortie du faisceau lumineux grâce au twist entre les deux couches. Ce faisant, il a identifié que le système agissait similairement au réseau échelette. L’équipe, grâce à des méta-modèles, a permis de concentrer la lumière dans une direction bien précise avec une efficacité de 90%.  

Maitriser la lumière

Le but de ce genre de structure twistée ?  Devenir maître de la lumière et fabriquer in fine des systèmes qui permettent de la ralentir, voire de l’arrêter.   

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Portrait Michaël Lobet

Une prouesse pour ce bolide, la lumière, qui se déplace à plus de 300 000 km/s ! C’est la vitesse la plus rapide que l’on puisse atteindre dans l’univers. La ralentir n’est donc pas une mince affaire. Dans ce genre de structures désorientées, la lumière est piégée mais son état est préservé : elle est mise « sur pause », en quelque sorte.  On peut imaginer concrètement pouvoir améliorer les caractéristiques des lasers ou les performances des ordinateurs quantiques. Une application importante serait de créer des mémoires optiques, qui permettrait de stocker les bits lumineux sans les détruire et de les libérer à volonté. Ou tout du moins les ralentir le temps d’effectuer les opérations mathématiques nécessaires au calcul tout optique. Une autre application est de profiter du ralentissement de la lumière pour exalter les interactions lumière matière. Cela peut servir à augmenter le rendement de réactions chimiques en photocatalyse notamment. Ces réactions photocatalytiques sont utiles pour le traitement de l’eau ou le traitement de l’air par exemple, sujets sur lesquels travaillent les professeurs Olivier Deparis et Bao-Lian Su au sein de l’institut NISM.

Professeur Michaël Lobet Université de Namur

Cette technique du twist ouvre donc bien des possibilités encore inexplorées en photonique en ajoutant un degré de contrôle de la lumière.  Les chercheurs poursuivent leurs recherches dans ce sens, en continuant cette collaboration fructueuse avec l’équipe du professeur Fan, de l'Université de Stanford, USA.  

Décidément, on n’a pas fini de twister à l’UNamur ! 

Les équipes de recherche impliquées

L'équipe belge

L'équipe américaine

  • Professeur Shanhui Fan (Université de Stanford)
  • Dr Beicheng Lou

Remerciements

Les chercheurs remercient l’UNamur, et plus spécifiquement le Département de physique et l’Institut NISM pour avoir financé le voyage de Nicolas Roy, l’Institut naXys pour son soutien dans ce projet,  la plateforme technologique PTCI, dont les supercalculateurs ont rendu cette étude possible ainsi que le FNRS pour le financement des mandats de recherche de Michaël Lobet et Alexandre Mayer.

Deux publications prestigieuses pour nos chercheurs en dynamique des réseaux

Mathématique
Sciences
Sciences de la vie et de la santé
Sciences humaines et sociales
Publication

Maxime Lucas est Chargé de recherche FNRS au Département de mathématiques et membre de l’Institut naXys.  Il travaille sur les systèmes complexes au sein du pôle « Dynamique des réseaux » dirigé par le Professeur Timoteo Carletti.  Il est co-auteur de deux articles sur les systèmes complexes, récemment publiés dans des revues prestigieuses : Nature Physics et Physical Reviews Letters. 

Photo de Maxime Lucas, logos naXys et FNRS et illustration d'un vol groupe d'oiseaux (schéma et photo)

Analyse du comportement collectif dans les systèmes complexes

L’étude sur les systèmes complexes publiée dans Physical Reviews Letters soutient une tendance croissante qui se concentre davantage sur l'analyse du comportement collectif d'un système plutôt que sur la découverte des mécanismes d'interaction sous-jacents.

Lorsqu'on observe une volée d'étourneaux tourbillonnant dans le ciel en parfaite coordination - un phénomène connu sous le nom de murmuration - on assiste à l'interaction élégante d'actions individuelles créant un comportement collectif. En essayant de comprendre ces motifs fascinants, les chercheurs peuvent isoler des règles simples basées sur le champ de vision d'un oiseau individuel et la distance qui le sépare de ses voisins, mais il faut toujours se demander si le modèle capture réellement les processus à l'origine des interactions entre les oiseaux (Fig. 1). 

Il s'agit d'un problème général dans la recherche sur les systèmes complexes, qui revient à distinguer les mécanismes (les règles régissant les interactions) des comportements (les modèles observables qui émergent).

Figure 1 : Dans les volées d'oiseaux, chaque oiseau choisit son mouvement en fonction de la distance de séparation et de l'orientation de vol de ses voisins (à gauche). Ces règles simples peuvent produire des schémas complexes, tels que les «murmurations» d'étourneaux (à droite). De nouvelles recherches explorent la manière dont les mécanismes (règles individuelles) sont liés aux comportements (modèles collectifs) dans les réseaux qui représentent des systèmes complexes.

Schema d'oiseaux en vol et image d'un vol groupé d'oiseaux
APS/Alan Stonebraker; Airwolfhound

Les réseaux représentatifs d'individus en interaction, ou nœuds, constituent un bon moyen d'étudier les mécanismes par rapport aux comportements. Jusqu’à présent, les chercheurs se sont concentrés sur les interactions par paire, mais de nombreux systèmes comprennent également des interactions d'ordre supérieur entre plusieurs nœuds. L'impact de ces mécanismes d'ordre supérieur sur les comportements n'a pas été clairement établi. Thomas Robiglio, de l'Université d'Europe centrale de Vienne, et ses collègues, dont Maxime Lucas (CR FNRS – UNamur) ont abordé cette question.  Ils ont considéré des réseaux avec des interactions d'ordre supérieur et évalué les comportements qui en résultent en termes de dépendances statistiques entre les valeurs des nœuds. 

Les chercheurs ont identifié des signatures comportementales d'ordre supérieur qui, contrairement à leurs équivalents par paire, révèlent la présence de mécanismes d'ordre supérieur. Leurs conclusions ouvrent de nouvelles voies pour distinguer les mécanismes et les comportements lors de l'étude de systèmes complexes - une distinction qui est cruciale pour l’étude de l'inférence dans la science des réseaux, les neurosciences, les sciences sociales et au-delà.

Cette étude fait aussi l’objet d’un article "Featured in Physics" et "Editor's suggestion", et d'un article « commentaire » à la demande du journal, disponible sur leur site internet en anglais en version intégrale.

Namur Institute for Complex Systems (naXys)

L'institut naXys s'est spécialisé dans l'analyse des systèmes complexes, qu'il s'agisse d'astronomie et de cosmologie dynamique, de biologie mathématique, d'optimisation en optique, de complexité économique ou encore de l'étude de la stabilité et de la robustesse de ces systèmes.

Logo Institut naXys

Des chercheurs de l’UNamur publiés dans Nature Physics

Publication
Intelligence Artificielle
Physique et astronomie
Sciences de la vie et de la santé
Durable
ODD 9 - Industrie, innovation et infrastructure
ODD 13 - Mesures relatives à la lutte contre les changements climatiques

Le Professeur Timoteo Carletti de l’Université de Namur vient de publier dans la prestigieuse revue Nature Physics en collaboration avec la Professeure Ginestra Bianconi de l’Université Queen Mary de Londres et huit autres chercheurs internationaux. Cette étude révolutionnaire pourrait conduire au développement de nouveaux algorithmes d’IA, à de nouvelles façons d’étudier le fonctionnement du cerveau ou encore à des percées dans des disciplines telles que la physique, la science du climat, la finance et bien d’autres.

Timoteo Carletti, publié dans Nature Physics, institut naXys

L’étude, intitulée « Topology shapes dynamics of higher-order networks » propose un cadre théorique spécialement conçu pour comprendre les réseaux complexes d’ordre supérieur où plusieurs agents interagissent au même temps et donc qui généralisent les réseaux avec leurs interactions en couples. Plus précisément, l’étude montre la manière dont la topologie façonne la dynamique, la manière dont la dynamique apprend la topologie et de la manière dont la topologie évolue de manière dynamique.

L’objectif de ce travail est d’initier les physiciens, les mathématiciens, les informaticiens et les chercheurs en science des réseaux à ce domaine de recherche émergeant, ainsi que de définir les futurs défis de la recherche où la topologie discrète et la dynamique non linéaire se mélangent.

Avec les des données en leur possession, les chercheurs montrent que des systèmes complexes réels tels que le cerveau, les réactions chimiques et les réseaux neuronaux peuvent être facilement modélisés comme des réseaux d’ordre supérieur, caractérisés par des connexions multi-corps indiquant le fait que plusieurs éléments du système interagissent simultanément.

Cette équipe internationale est convaincue que la visibilité de leur travail au travers de cette publication dans Nature Physics permettra d’ouvrir la porte à des nouvelles collaborations avec d’autres disciplines qui s’appuient sur l’analyse des réseaux pour étudier des systèmes complexes réels.

Bravo à l’équipe pour cette publication !

Timoteo Carletti - Mini CV

Après une maîtrise en physique (université de Florence, juin 1995), Timoteo Carletti a poursuivi ses études doctorales à Florence (Italie) et à Paris (France) à l'IMCCE, et a finalement soutenu sa thèse de doctorat en mathématiques en février 2000. 

Il s’installe en Belgique en 2005, et est engagé à l'Université de Namur comme chargé de cours, puis comme professeur (2008), et enfin comme professeur titulaire (2011) au Département de mathématique de la Faculté des sciences.  En 2010, il a fait partie des créateurs du Namur Center for Complex Systems (devenu l’Institut Namur Institute for Complex Systems – naXys) dont il a assumé la direction jusqu'en décembre 2014.

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