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Apprentissage Actif Multimodal Explicable pour la découverte des mécanismes de plasticité en science des matériaux

Offre de thèse

Apprentissage Actif Multimodal Explicable pour la découverte des mécanismes de plasticité en science des matériaux

Date limite de candidature

15-04-2026

Date de début de contrat

01-10-2026

Directeur de thèse

BOUDJELOUD-ASSALA Baya Lydia

Encadrement

Lydia Boudjeloud-Assala, PRU, UL, membre équipe MosAIk (PhD Director 50%) Arthur Hoarau, MCF, CS, membre équipe MosAIk (PhD Co-Director 50%) Equipe d'encadrement : Antoine Guitton (PR – UL LEM3) Frédéric Pennerath, membre équipe MosAIk (MCF - CS LORIA)

Type de contrat

Concours pour un contrat doctoral

école doctorale

IAEM - INFORMATIQUE - AUTOMATIQUE - ELECTRONIQUE - ELECTROTECHNIQUE - MATHEMATIQUES

équipe

ORPAILLEUR

contexte

This PhD offer is provided by the ENACT AI Cluster and its partners. Findall ENACT PhD offers and actions on https://cluster-ia-enact.ai/ The scientific collaboration underpinning this PhD project originated within the framework of the ANR PRC MAMIENOVA project (ANR-05-NANO-0075), which fostered close interactions between data-driven methodologies and the physics of material deformation. This project enabled the establishment of strong and sustained links between the LORIA and LEM3 laboratories. The collaboration is already active and operational, notably through the involve-ment of a postdoctoral researcher currently working jointly between LORIA and LEM3, providing a solid interdisciplinary foundation for the proposed PhDwork. LORIA (UMR 7503) - MosAIk team: The Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications is a CNRS/INRIA/Université de Lorraine laboratory, which conducts research in computer science and information and communication technologies. The MosAIk team is a research team within Loria dedicated to the general field of artificial intelligence (AI). The MosAIk team is structured to reflect current developments in AI, which are diverse, constantly evolving, and require significant capabilities and resources, with research areas focusing on Knowledge representations and reasoning hybridAI, frugal AI, explainability and interpretability, NLP and LLM, distributed AI, and complex networks. Its goal is to develop new methods in AI that leverage this diversity and address concrete, current questions in order to tackle and advance research on fundamental aspects. LEM3 - IMPACT axe MAPLI: The Laboratoire d'Études des Microstructures et de Mécaniques des Matériaux (LEM3) is a research laboratory dedicated to transdisciplinary experimental and theoretical studies at the interface of solid mechanics, metallurgy, materials science, chemistry, and physics. The laboratory addresses fundamental and applied questions related to the mechanical behavior of materials by explicitly linking microstructural features to macroscopic properties. For many years, LEM3 has contributed to advances in materials research through the development of original experimental devices and state-of-the-art characterization techniques based on electron microscopy enabling high-resolution investigations of microstructures and deformation mechanisms.

spécialité

Informatique

laboratoire

LORIA - Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications

Mots clés

Apprentissage actif, Explicabilité, Apprentissage économe en données, Apprentissage multimodale, Apprentissage automatique intégrant la physique, Sobriété et durabilité

Détail de l'offre

L'étude de la plasticité des matériaux a pour objectif de comprendre, prédire et contrôler la déformation irréversible des solides sous contrainte mécanique. Dans les matériaux métalliques, la déformation plastique résulte de mécanismes microstructuraux complexes impliquant des défauts cristallins et leur évolution sous contrainte, qui ne sont encore que partiellement pris en compte par les modèles constitutifs et les simulations numériques existants, en particulier dans les régimes de déformation locaux, multi-échelles ou non standard. Parallèlement, les simulateurs physiques de déformation [3] et de dommages s'appuient sur des lois simplifiées, tandis que les techniques expérimentales avancées génèrent des ensembles de données riches mais coûteux qui restent largement sous-exploités. Située à l'interface entre la science des matériaux et le ML, et en étroite collaboration avec le LEM3, cette thèse vise à exploiter ces données pour identifier et caractériser les mécanismes latents qui régissent la plasticité métallique, dans le but d'améliorer la compréhension physique et les performances prédictives.

La recherche en ML s'est longtemps concentrée sur l'amélioration des performances des modèles. Cependant, avec les récentes avancées en IA et son intégration dans des systèmes parfois critiques pour la sécurité, de nouveaux défis apparaissent. Une attention croissante est désormais accordée aux coûts écologiques, économiques et sociétaux de l'IA [2], ainsi qu'à la nécessité de disposer de modèles plus sobres et plus fiables. Pour les systèmes qui atteignent déjà des performances quasi optimales, il devient crucial de quantifier et de communiquer l'incertitude, en particulier pour les prédictions rares mais critiques, où une seule défaillance peut avoir des conséquences graves. Parallèlement, l'utilisation généralisée de modèles de type « boîte noire » soulève des questions de confiance et d'interprétabilité, en particulier lorsque les modèles font preuve d'une confiance excessive.

Tout au long du projet, la sobriété et la durabilité sont des préoccupations centrales. Des architectures légères, une sélection active des données et une compression des modèles seront utilisées pour réduire l'empreinte informatique et énergétique. Les résultats attendus comprennent l'amélioration des simulateurs physiques enrichis de nouveaux paramètres identifiés, une réduction significative des campagnes expérimentales grâce à l'acquisition ciblée de données et le développement d'un cadre d'IA robuste et explicable.
Au-delà de la science des matériaux, la méthodologie proposée est générique et transférable à de nombreux domaines d'application où l'acquisition de données est coûteuse et où la prise de décision tenant compte de l'incertitude est essentielle. En cas de succès, les travaux futurs viseront à appliquer ce cadre à la réduction des coûts sociaux et écologiques associés aux systèmes d'IA à grande échelle [7], ainsi qu'à la détection de maladies dans des environnements multimodaux coûteux, tels que l'acquisition d'EEG et d'IRM ou les cultures microbiologiques, où des stratégies d'apprentissage actives, explicables et efficaces en termes de données sont particulièrement pertinentes [1].

Keywords

Active Learning, Explainable Artificial Intelligence (XAI), Data-Efficient Learning, Multimodal Learning, Physics-Aware Machine Learning, Sobriety and Sustainability

Subject details

The objective of studying material plasticity is to understand, predict, and control the irreversible deformation of solids under mechanical loading. In metallic materials, plastic deformation results from complex microstructural mechanisms involving crystal defects and their evolution under stress, which are still only partially captured by existing constitutive models and numerical simulations especially in local, multiscale, or non-standard deformation regimes. In parallel, physical simulators of deformation [3] and damage rely on simplified laws, while advanced experimental techniques generate rich but costly datasets that remain largely under-exploited. Positioned at the interface between materials science and ML, and in close collaboration with the LEM3, this thesis aims to exploit such data to identify and characterize latent parameters or mechanisms governing metallic plasticity, with the goal of improving physical understanding and predictive modeling capabilities. Research in ML has long focused on improving model performance. However, with recent breakthroughs in artificial intelligence and its integration into an ever-increasing number of sometimes safety-critical systems, new challenges are emerging. Growing attention is now being paid to the ecological, economic, and societal costs of AI [2], as well as to the need for more frugal and trustworthy models. For systems already achieving near-optimal performance, it becomes crucial to quantify and communicate uncertainty, particularly for rare but critical predictions, where a single failure may have severe consequences. In parallel, the widespread use of black-box models raises concerns about trust and interpretability, especially when models exhibit overconfidence. The first scientific objective is to develop explainable, data-efficient, multimodal active learning [1] methods to discover latent physical parameters that are not explicitly modelled in current simulators, by comparing simulated predictions with experimental observations. Active learning [4] strategies will guide the acquisition of the most informative experimental samples by combining model uncertainty, simulator–reality mismatch, and expert knowledge from LEM3, thereby minimizing experimental cost. The second objective is to explore an alternative, simulation-free modeling paradigm, where ML models directly predict material deformation at the image level. Given an initial microstructural image and loading conditions, the model will learn to predict the deformed microstructure. This approach aims to capture complex, non-modelled phenomena while remaining computationally efficient, enabling fast predictions where classical finite-element simulations are too costly or inaccurate. Multimodal architectures will combine images, metadata, and possibly simulator outputs, while embedded XAI mechanisms [5,6] will allow experts to validate predictions against physical intuition. Throughout the project, sobriety and sustainability are central concerns. Lightweight architectures, active data selection, and model compression will be employed to ensure a reduced computational and energy footprint. The expected outcomes include improved physical simulators enriched with newly identified parameters, a significant reduction in experimental campaigns through targeted data acquisition, and the development of a robust and explainable AI framework. Beyond materials science, the proposed methodology is generic and transferable to many application domains where data acquisition is costly and uncertainty-aware decision-making is critical. If successful, future work will aim to apply this framework to reducing societal and ecological costs associated with large-scale AI systems [7], as well as to disease detection in expensive multimodal settings, such as EEG and MRI acquisition or microbiological cultures, where active, explainable, and data-efficient learning strategies are particularly relevant [1].

Profil du candidat

Solide expérience en intelligence artificielle et apprentissage automatique, avec une expertise en Python, PyTorch/TensorFlow et en algorithmes avancés tels que les réseaux neuronaux et l'optimisation bayésienne. Capacité avérée à appliquer des techniques d'IA à des ensembles de données scientifiques complexes, en particulier dans le domaine de la science des matériaux pour la prédiction des propriétés, la quantification de l'incertitude et les stratégies d'apprentissage actif. Désireux de contribuer à la recherche interdisciplinaire reliant l'IA et la science des matériaux, avec d'excellentes compétences en rédaction scientifique, en expérimentation reproductible et en collaboration entre différents domaines. Titulaire d'un M2 en informatique, intelligence artificielle, science des données ou dans un domaine étroitement lié.

Candidate profile

Strong background in computer science, artificial intelligence, and machine learning, with expertise in Python, PyTorch/TensorFlow, and advanced algorithms like neural networks and Bayesian optimization.
Proven ability to apply AI techniques to complex scientific datasets, particularly in materials science for property prediction, uncertainty quantification, and active learning strategies.
Eager to contribute to interdisciplinary research bridging IA and materials science, with excellent skills in scientific writing, reproducible experimentation and collaboration across domains.
Hold a Master's degree in Computer Science, Artificial Intelligence, Data Science, or a closely related field.

Référence biblio

[1] Hoarau, A., Quost, B., Destercke, S., & Waegeman, W. (2025). ReducingAleatoric and Epistemic Uncertainty through Multi-modal Data Acquisition.arXiv preprint arXiv:2501.18268.

[2] B. Perrigo. Exclusive: The $2 Per Hour Workers Who Made ChatGPT Safer.(2023). https://time.com/6247678/openai-chatgpt-kenya-workers/ (vis-ited on 17/01/2026).

[3] Ben Haj Slama, M., Taupin, V., Maloufi, N., Venkatraman, K., Rollett, A.D., Lebensohn, R. A., Berbenni, S., Beausir, B., Guitton, A. (2021). Electronchanneling contrast imaging characterization and crystal plasticity modelling ofdislocation activity in Ti21S BCC material.

[4] Settles, B. (2009). Active learning literature survey.Computer Sciences Tech-nical Report 1648, University of Wisconsin–Madison.

[5] Das, A., Rad, P.(2020). Opportunities and challenges in explainable ar-tificial intelligence(xai): A survey. arXiv preprint arXiv:2006.11371

[6] K. Wickstrøm, T. Brüsch, M. C. Kampffmeyer, and R. Jenssen. (2025).REPEAT: improving uncertainty estimation in representation learning explain-ability. In Proceedings of the Thirty-Ninth AAAI Conference on Artificial In-telligence, 8341-8350.

[7] Hoarau A., Lemaire V., Le Gall Y., Dubois J.-C. , and Martin A. (2024).Evidential uncertainty sampling strategies for active learning, Mach. Learn.113(9): 6453-6474